[发明专利]具有高使用温度的可调控热膨胀系数的钛铌钼合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有高使用温度的可调控热膨胀系数的钛铌钼合金及其制备方法和应用，该合金中各元素以重量百分比为Nb：24.9～25.1wt.％，Mo：5.8～6.2wt.％，余量为Ti；其制备过程为：加入原料进行熔炼获得成分均匀的合金铸锭，热锻至棒状后进行固溶处理，随后淬水冷却；去除棒材表面的氧化皮，进行冷轧，其组织为β+α″相；进行预时效处理，通过改变α″相含量，使合金在25℃～380℃的温度范围内沿轧制方向具有‑8.8×10^‑6/K～+0.8×10^‑6/K的可调节的平均热膨胀系数。本发明制备的钛铌钼合金适用于制备热开关、智能阀门等高性能的温度敏感元件，以及高尺寸稳定性要求的精密仪器构件。

技术领域

本发明属于钛合金制备，具体涉及一种具有高使用温度的可调控热膨胀系数的钛铌钼合金及其制备方法和应用。

背景技术

热膨胀是指因温度升高使物体长度或体积发生改变的现象，本质上是晶格原子的热振动作用产生的宏观效应。金属材料一般均具有正热膨胀系数，这是其内在禀性，很难调控。当发生较大温度变化时，材料的热膨胀将引起精密仪器精度下降，而热胀系数的失配将产生热应力，导致器件镀层的疲劳损伤，甚至脱落。负膨胀或极低膨胀金属材料的出现为解决此类问题提供了新的途径：将正热膨胀材料与负热膨胀材料进行复合，可获得合适的膨胀系数，解决膨胀系数失配的问题；制备出低膨胀甚至零膨胀材料，可显著提高精密仪器的精度。此外，将正热膨胀材料和具有高负热膨胀特性的材料进行复合，还可用于制备热开关、智能阀门等高性能的温度敏感元件。因此，近年来，具有负、低或(接近)零热膨胀系数的金属材料受到研究者们的广泛关注。

目前，在金属材料中，最广为人知的零热膨胀材料是1897年发现的Fe-36Ni合金(因瓦合金)，但其仅能在较窄温度范围内表现出零膨胀特性(-80℃～100℃)，且使用温度较低(100℃)。在Ti合金中，国内外研究者陆续报道了几种负热膨胀和零膨胀钛合金，例如，Ti-35Nb-2Ta-3Zr-0.3O(wt.％)合金中经过90％冷轧态后，轧向的平均线热膨胀系数为2.0×10^-6K^-1(-173℃～227℃)，接近因瓦合金(T.Saito,et al.,Multifunctional alloysobtained via a dislocation-free plastic deformation mechanism.Science 300(2003)464-467)；Ti-24Nb-4Zr-8Sn(wt.％)合金经过95％热轧，之后对其进行9％加载卸载后，沿轧向在20℃～300℃范围内获得了-7×10^-6K^-1的平均负线热膨胀系数(Y.L.Hao,etal.,Superelasticity and Tunable Thermal Expansion across a Wide TemperatureRange.J.Mater.Sci.Technol.32(2016)705-709)。在申请人前期申请的专利中，公布号为CN 112553501A的专利，对Ti-Nb的合金进行90％冷轧，通过改变Nb含量(34wt％～40wt％)，在轧制方向在25℃～300℃的温度范围具有-33.0×10^-6/K～-2.0×10^-6/K的可调节的负热膨胀系数；公布号为CN 112458336A的专利，对Ti-Nb-O的合金(Nb：34.0wt％～34.1wt％；O：0wt％～0.6wt％)进行90％冷轧，通过改变O含量(0wt％～0.6wt％)，在轧制方向在25℃～380℃的温度范围具有-28.8×10^-6/K～-8.3×10^-6/K的可调节的负热膨胀系数；公布号为CN 112680681A的专利，对Ti-Nb-O的合金(Nb：34.0％；O：0.11％)进行90％冷轧，之后进行300℃×0min～150min的预时效处理，沿轧制方向在25℃～300℃的温度范围内具有-33.0×10^-6/K～0.4×10^-6/K的可调节热膨胀系数。在上述各专利中，如公布号为CN 112680681A虽然无需改变合金成分，仅需改变预时效处理时间，即能在较宽温度范围内获得可调节的热膨胀系数，然而，该专利的合金还存在使用温度范围偏窄(25℃～300℃)、预处理时间偏长(0min～150min)等缺点，如公布号为CN 112458336A的专利，虽然使用温度范围可以达到(25℃～380℃)，但是合金需改变合金成分(改变O含量，改变合金成分的方法)才能调节负膨胀系数。