[发明专利]一种具有负热膨胀特性的钛钽合金板材及其制备方法

说明书

本发明涉及具有负热膨胀特性的合金材料技术领域，公开了一种具有负热膨胀特性的钛钽合金板材及其制备方法，合金板材由钛、钽两种元素组成，其钛钽合金通式为Ti100‑xTax，其中x为原子百分比，x＝25％～35％；制备时，通过电弧熔炼法将高纯钛和高纯钽于熔炼炉内熔炼成钛钽合金铸锭；再将钛钽合金铸锭切割或热锻成板材/饼材，并将板材或饼材置于真空退火炉或石英管中封装，高温加热进行元素均匀化处理；然后将钛钽合金板材/饼材热轧成形并封装于石英管中进行固溶处理；最后将钛钽合金板材/饼材冷轧加工形成具有负热膨胀特性的钛钽合金板材，该发明具有负热膨胀特性，且强度高、易加工、耐腐蚀；同时制备工艺简单、成本低廉。

技术领域

本发明涉及具有负热膨胀特性的钛钽合金材料技术领域，尤其涉及一种在较宽温区具备负热膨胀特性的钛钽合金板材及其制备方法。

背景技术

物质的长度或体积随温度的升高而增加的现象，被称为热膨胀。绝大部分固体材料都遵循这个自然界普遍规律，其本质是温度升高促使晶格非简谐振动加剧，由于原子作用势的不对称特征而导致质点平均间距变大。但是材料的热膨胀会加速机器老化、使用性能下降，甚至接触面分离、脱落，因此在众多工程领域，特别是在系统组件尺寸较小且要经历较大温度变化，或者在很宽温域内要求极端的尺寸稳定性的情况下，控制热膨胀量的匹配是一个重要目标。

负膨胀材料为控制材料热膨胀系数提供了有效途径，尤其是在从近零膨胀向零膨胀和可控膨胀迈进方面起到重要作用，将具有负热膨胀性能的材料与其他正膨胀材料复合后可实现调节热膨胀系数的目的,进而解决由于热膨胀系数不匹配引起的热应力、疲劳断裂、微裂纹产生等问题。最广为人知的产生负膨胀的机制包括磁体积效应、原子半径收缩和柔性网络等，其代表性材料分别是因瓦合金、部分陶瓷(例如Sm2.75C60、ZrW2O8和ReO3)和一些金属氧化物(例如ZrW2O8、ReO3)以及碳材料(例如石墨，碳纤维和纳米管)。

但是现有这些具有负膨胀特性的材料存在以下问题：1)瓦合金具有强度低、加工难度高、易腐蚀的问题；2)陶瓷和氧化物材料断裂韧性低、导热性能差，且需要精确的化学成分设计才能制造，工艺复杂；3)碳材料需要复杂而昂贵的复合材料制造技术。这些缺点导致负热膨胀材料的应用受到很大限制。

另外，还检索到现有中国发明专利CN101270424A中公开了一种具有负热膨胀性能的镍钛铌合金及其制备方法，获得了在一定温度范围内具有负热膨胀性能的NiTi基合金材料。该合金是以近等原子比的钛镍合金为基体的前提下加入铌元素，并通过不同应变量的冷轧处理，其负热膨胀行为来源于合金沿轧制方向训练所得的形状记忆效应，从而导致其负热膨胀系数小且负热膨胀温度较低并具有明显方向性(即材料的负热膨胀行为只出现在沿轧制方向)。同时，该发明中还使用了贵金属铌和复杂的加工工艺，导致材料成本与制造成本较高。

中国发明专利CN102534275公开了一种利用多孔Ti-Ni合金与镁合金复合制备近零膨胀TiNi基复合材料的方法，该合金在一定温度范围内存在近零膨胀行为并具有较低的密度。但制备出的近零膨胀复合材料的强度不高，在施加4％的压缩应变时合金的强度只有200～400MPa；同时由于粉末烧结与熔渗制备工艺的特点，基体与增强材料之间难以形成有效的冶金结合，存在材料各相界面不稳定并进而弱化复合材料的各项性能，这些都在一定程度上制约着多孔复合材料的应用。

中国发明专利，授权公告号为107164653B，公开的一种具有负热膨胀性能的富钛含量钛镍合金及其制备方法，获得了在一定温度范围内具有负热膨胀性能的TiNi合金材料，但是其负热膨胀区间稳定在90℃-125℃之间。

有鉴于此，提出本发明的一种具有负热膨胀特性的钛钽合金板材及其制备方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种在较宽温区具备负热膨胀特性的钛钽合金板材及其制备方法，使制备的钛钽合金板材具有负热膨胀特性，同时具有强度高、易加工、耐腐蚀等优异性能，且本发明的制备方法工艺流程简单、操作简单方便、成本低廉、易于实现大规模的工业化生产。