[发明专利]一种亚稳β钛合金的成分设计方法

摘要

一种亚稳β钛合金的成分设计方法，以第一性原理计算为核心，并结合Mo当量、d电子理论、屈服强度校核进行亚稳β钛合金的成分设计。第一性原理是从原子层次进行合金设计，获得宏观上高性能的材料，但是从原子尺度直接到宏观尺度，跨度太大，导致模拟或计算结果与实际情况相差较大。故本发明同时还采用了Mo当量、d电子理论、屈服强度校核的方法。其中基于Mo当量和d电子理论的成分校核主要是基于相稳定性，这一尺度在第一性原理的原子尺度到屈服强度测试的宏观尺度之间起到了承上启下的作用。这种有效的尺度跨越，实现了原子尺度到宏观尺寸的有效跨越，提高了该设计方法的准确性，同时实现了新型材料研发成本的降低和研发效率的提高。

主权项

1.一种亚稳β钛合金的成分设计方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，利用第一性原理计算方法，建立Ti‑Xi合金体系并计算其晶格畸变能△E_LDi、形成焓△H_i和电子功函数φ_i，对比分析合金元素的加入对α相相稳定性和电子结构的影响，选取合金元素，确定目标研究体系；具体计算方法如下：Ⅰ建立Ti‑X_i的合金体系：在纯钛中加入元素周期表中的任一金属元素，建立Ti‑X_i的合金体系，其中i＝1,2,……n；以铝作为合金元素X₁加入至纯钛中，形成Ti‑X₁体系，Ⅱ确定Ti‑X₁的合金体系的晶格畸变能△E_LD、形成焓△H和电子功函数Φ：计算其晶格畸变能△E_LD1和形成焓△H₁，具体计算过程如下：通过得到的纯钛的平衡能量E₀(Ti)和Ti‑X₁体系的平衡能量E₀(Ti‑X₁)，利用公式(1)确定所述晶格畸变能△E_LD1：ΔE_LD1＝E₀(Ti‑X₁)‑E₀(Ti).............................(1)通过上述得到的Ti‑X₁体系的平衡能量E₀(Ti‑X₁)和合金元素X₁的平衡能量E₀(X₁)，利用公式(2)确定所述形成焓△H₁：其中，是Ti‑X₁体系中合金元素X₁的摩尔质量；利用第一性原理计算方法计算Ti‑X₁体系的电子功函数φ₁；Ti‑X₁体系的电子功函数φ₁的计算公式为：其中，α是由材料本身属性决定的固有常数，Ti‑X₁合金的α＝1；r_s是电子体积有效半径；E_F是费米能量；至此，确定了Ti‑X₁体系的晶格畸变能△E_LD1、形成焓△H₁和电子功函数φ₁；Ⅲ计算Ti‑X_i体系中其余元素的晶格畸变能△E_LDi、形成焓△H_i和电子功函数φ_i：所述Ti‑X_i体系中其余元素为元素周期表中除铝以外的金属元素；重复所述Ⅱ，分别将所述Ti‑X_i体系中其余元素逐个加入纯钛中，依次形成n‑1个Ti‑X_i体系，i＝2,3,……n，并按照所述Ⅱ中描述的计算方法，依次计算各Ti‑X_i体系的晶格畸变能△E_LDi、形成焓△H_i和电子功函数φ_i，直至得到所述n‑1个Ti‑X_i体系的晶格畸变能△E_LDi、形成焓△H_i和电子功函数φ_i；经过所述Ⅱ和Ⅲ，得到元素周期表中所有金属元素构成的Ti‑X_i体系的晶格畸变能△E_LDi、形成焓△H_i和电子功函数φ_i；通过对比得到的元素周期表中所有金属元素构成的Ti‑X_i体系的晶格畸变能△E_LDi、形成焓△H_i和电子功函数φ_i，选取合金元素，形成目标研究体系；步骤2，计算目标研究体系的屈服强度σ_0.2：基于合金强化模型计算目标研究体系的屈服强度σ_0.2；所述合金强化模型为：σ_0.2＝K₁Φ⁶+C....................................(4)合金强化模型中K₁和C为常数项，其中K₁＝‑1.0653，C＝5076.19251；该合金强化模型中起主要作用的是目标研究体系的电子功函数Φ；所述目标研究体系的电子功函数Φ的计算公式如下：Φ＝∑z_kφ_k........................................(5)其中，Φ是目标研究体系的电子功函数；z_k是k元素的摩尔质量，φ_k是Ti‑K体系的电子功函数；通过所述合金强化模型得到目标研究体系中屈服强度σ_0.2大于1200MPa的合金的电子功函数Φ和屈服强度σ_0.2；步骤3，基于Mo当量和d电子理论设计准则进行成分校核：所设计的合金要满足Mo当量为9～11，通过Mo当量计算公式确定Mo当量；所设计的亚稳态β钛合金的和应分别控制在2.30～2.42内和2.75～2.82内；目标研究体系的值和值的计算公式如下：式中：a_k为k元素的原子百分比，(Md)_k和(Bo)_k分别为k元素的Md值和Bo值；Md值为所述任一合金元素的d轨道能，与电荷的转移有关，表现了合金元素的的电负性特征；是目标研究体系中各合金元素Md值的平均值；Bo值为原子之间电子云的重迭，是原子间共价键强度的度量；是目标研究体系中各合金元素Bo值的平均值；步骤4，熔炼铸锭，并进行机械处理，测试其屈服强度，验证设计的准确性：按满足屈服强度要求的合金的具体化学成分进行配料，并利用真空自耗熔炼炉按常规方法制备重量大于20公斤的铸锭，开坯锻造之后进行固溶时效热处理，测试所述合金的屈服强度，验证设计结果的正确性，完成亚稳β钛合金的设计。