本發(fā)明涉及金屬材料，具體涉及一種高溫下寬溫域高阻尼鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、作為一種結(jié)構(gòu)功能一體化的代表性金屬材料，阻尼合金因具備良好的減振降噪功能，在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器、儀表、管路等服役場(chǎng)景具有大量的應(yīng)用。鈦合金具有低密度、耐腐蝕、非磁性、熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，以及其多樣的合金化選擇和豐富的相變行為，調(diào)控性極強(qiáng)的成分設(shè)計(jì)和服役性能，在先進(jìn)制造和關(guān)鍵裝備中廣泛應(yīng)用。針對(duì)高阻尼鈦合金材料(阻尼系數(shù)大于等于0.01)的相關(guān)研發(fā)，作為彈性構(gòu)件、連接件、殼體防護(hù)、結(jié)構(gòu)支撐等高價(jià)值關(guān)鍵部件，應(yīng)用于航空、航天、艦船、精密儀器等大型設(shè)備中。

2、目前，鈦合金的阻尼物理機(jī)制無(wú)法支撐高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的研發(fā)。這可歸因于現(xiàn)有高阻尼鈦合金的物理機(jī)制主要可分為兩類(lèi)：以tini系形狀記憶合金為代表的熱彈性馬氏體相變孿晶機(jī)制，和以tinbo系合金為代表的snoek型弛豫耗散機(jī)制，在高溫下寬溫域內(nèi)均存在不足。首先，孿晶機(jī)制的阻尼源于熱彈性馬氏體內(nèi)部及其與基體之間可遷移界面，不同馬氏體相變與溫度變化強(qiáng)關(guān)聯(lián)，而該系合金相變發(fā)生溫度范圍是-80～80℃，高于80℃時(shí)該阻尼物理機(jī)制便失效。第二，snoek型弛豫機(jī)制是在交變應(yīng)力作用下，間隙原子在體心立方晶體中不同位置往復(fù)躍遷消耗能量而產(chǎn)生內(nèi)耗。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均表明，在一定應(yīng)變和溫度條件下，該阻尼效應(yīng)以弛豫峰值的形式出現(xiàn)，僅在峰值溫度±50℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好阻尼性能，服役溫度范圍較窄。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的兩類(lèi)阻尼鈦合金其中tini系合金應(yīng)用溫度低，tinbo系合金應(yīng)用溫度范圍窄；而在高溫服役條件下，目前還沒(méi)有高效減振的寬溫域阻尼鈦合金可以有效滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

3、面對(duì)新一代先進(jìn)裝備的改良升級(jí)，亟需創(chuàng)新高阻尼鈦合金的阻尼物理機(jī)制以彌補(bǔ)現(xiàn)有阻尼機(jī)制的不足，以及基于新機(jī)制開(kāi)發(fā)新一代高溫下寬溫域高阻尼鈦合金材料，該工作具有重要基礎(chǔ)研究和實(shí)際工程意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高溫下寬溫域高阻尼鈦合金及其制備方法，其構(gòu)思合理，可解決現(xiàn)有技術(shù)中阻尼鈦合金無(wú)法在高溫下獲得寬溫域阻尼效應(yīng)的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，制備的合金不僅突破了現(xiàn)有阻尼鈦合金高溫下服役溫暖區(qū)間窄的難題，而且兼具高強(qiáng)度高塑性的優(yōu)異綜合力學(xué)性能，有望在航空、艦船等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種高溫下寬溫域高阻尼鈦合金，其由以下質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的元素組成:al:3.4～5.2％，cr:2.8～4.4％，mo:2.6～4.5％，zr:0.7～1.5％，o:0.17～0.41％，余量為ti。

3、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金，其中，所述合金的溶質(zhì)與溶劑原子結(jié)合鍵的強(qiáng)度參數(shù)和合金化元素與基體相互作用的能量參數(shù)的范圍為：

4、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金，其中：所述合金的微觀組組中α相的體積分?jǐn)?shù)百分比為0≤vα≤30％，即所述合金可以是單相β組織，或者是α+β兩相組織組成；所述合金在200℃～400℃下的阻尼系數(shù)為0.025～0.065；所述合金的抗拉強(qiáng)度≥800mpa，屈服強(qiáng)度≥600mpa，均勻延伸率≥15％，斷裂延伸率≥25％。

5、一種高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其主要包括以下步驟：

6、(1)鑄錠熔煉

7、采用a?l、cr、mo、zr、o和t?i元素，按照所設(shè)計(jì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行成分配比，通過(guò)真空熔煉制備鈦合金鑄錠材料，重復(fù)熔煉以確保所熔煉材料成分均勻，隨后將重復(fù)熔煉后制得的鑄錠進(jìn)行頭部和尾部進(jìn)行切除處理，以最大限度獲得成分與組織均勻化的最終鑄錠材料；

8、(2)均勻化處理

9、對(duì)上述步驟(1)獲得的鑄錠材料隨真空熱處理爐加熱至溫度t1并保溫時(shí)間t1，然后隨真空熱處理爐冷卻并得到均勻化后的鈦合金鑄錠材料；

10、(3)β鍛造處理

11、將上述步驟(2)均勻化處理獲得的鈦合金鑄錠材料放入溫度為t2的普通熱處理爐中保溫時(shí)間t2，然后進(jìn)行β開(kāi)坯鍛造，依次往復(fù)進(jìn)行拔長(zhǎng)與鐓粗處理，隨后放在空氣中自然冷卻至室溫，并對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械磨削加工處理，以獲得初級(jí)鈦合金型材坯料；

12、(4)近β鍛造處理

13、將上述步驟(3)獲得的初級(jí)鈦合金型材坯料放入溫度為t3的普通熱處理爐中保溫時(shí)間t3，取出坯料進(jìn)行近β鍛造處理，依次往復(fù)進(jìn)行拔長(zhǎng)與鐓粗處理，隨后將拔長(zhǎng)與鐓粗處理后的坯料定型為預(yù)定尺寸的軋制板材坯料，再將軋制板材坯料在空氣中自然冷卻至室溫并對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械磨削加工處理，獲得鈦合金軋制板材坯料；

14、(5)軋制處理

15、將上述步驟(4)獲得的鈦合金軋制板材坯料放入溫度為t4的普通熱處理爐中保溫時(shí)間t4，進(jìn)行一道次變形量為δd1的中溫軋制處理，隨后再次放入爐中進(jìn)行保溫，往復(fù)循環(huán)進(jìn)行保溫與軋制處理，直至坯料累計(jì)變形量為δd，接著在空氣中自然冷卻至室溫并對(duì)中溫軋制后板材進(jìn)行按需切割處理，獲得鈦合金軋制板材；

16、(6)退火處理

17、將上述步驟(5)獲得的鈦合金軋制板材放入溫度為t5的普通熱處理爐中保溫時(shí)間t5，然后取出后直接放入水中進(jìn)行冷卻處理，接著對(duì)其表面進(jìn)行機(jī)械磨削加工和拋光處理，最終獲得寬溫域高阻尼鈦合金材料。

18、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中：所述步驟(1)中真空熔煉方法包括真空懸浮熔煉、真空自耗熔煉和真空非自耗熔煉；所述真空懸浮熔煉和真空自耗熔煉的重復(fù)熔煉次數(shù)均為2-4次，所述真空非自耗熔煉的重復(fù)熔煉次數(shù)為5-8次。

19、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中：所述步驟(2)中溫度t1為1100℃～1250℃，時(shí)間t1為6h～20h。

20、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中：所述步驟(3)處理前，需要先對(duì)所述步驟(2)處理后的鈦合金鑄錠材料進(jìn)行熱膨脹分析并得到鈦合金鑄錠材料的α和β同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度tα/β，進(jìn)而可確定所述步驟(3)中的溫度t2為(tα/β+100～220)℃，時(shí)間t2為5min～60min。

21、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中，所述步驟(3)中的β開(kāi)坯鍛造處理的過(guò)程為：先對(duì)上述步驟(2)中的鈦合金鑄錠材料側(cè)面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)下壓變形15～40％，即拔長(zhǎng)處理；然后對(duì)鑄錠頭尾部下壓變形20～50％，即鐓粗處理；往復(fù)循環(huán)進(jìn)行拔長(zhǎng)處理與鐓粗處理的次數(shù)為3-6次。

22、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中：所述步驟(4)中溫度t3為(tα/β±30)℃，時(shí)間t3為5min～60min；所述步驟(4)中的近β鍛造處理中一道次的拔長(zhǎng)處理和鐓粗處理變形量均為10～40％，往復(fù)循環(huán)進(jìn)行拔長(zhǎng)處理與鐓粗處理的次數(shù)為3-4次。

23、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中：所述步驟(4)可依據(jù)近β鍛造處理后的坯料表面形貌、缺陷和組織結(jié)構(gòu)判斷進(jìn)行近β鍛造處理的次數(shù)，可重復(fù)進(jìn)行近β鍛造處理1～5次。

24、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中：所述步驟(5)中溫度t4為550℃～750℃，時(shí)間t4為5min～40min；中溫軋制處理中一道次變形量δd1為2％～5％，累積變形量δd為75％～95％；

25、所述高溫下寬溫域高阻尼鈦合金的制備方法，其中：所述步驟(6)中溫度t5為(tα/β-200)℃～(tα/β+50)℃，時(shí)間t5為20min～360min。

26、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

27、本發(fā)明在創(chuàng)新性研發(fā)高溫下寬溫域高阻尼鈦合金時(shí)，探索基于鈦合金高溫下亞穩(wěn)相變行為的新型物理阻尼機(jī)制。首先，系統(tǒng)分析了不同穩(wěn)定性鈦合金在100℃～500℃區(qū)間可能發(fā)生相變行為，并重點(diǎn)關(guān)注了亞穩(wěn)態(tài)無(wú)熱ω相與等溫ω相、α'相、α"相、o'相、以及β'相等不同亞穩(wěn)相的基本物理參數(shù)，如晶格常數(shù)、模量、泊松比等；另外，定性分析了不同亞穩(wěn)相變與基體β相之間的協(xié)作關(guān)系，從而明晰了鈦合金穩(wěn)定性與不同亞穩(wěn)相的關(guān)系，為最終確定合金化成分的添加量奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為200℃～400℃區(qū)間內(nèi)高阻尼鈦合金的開(kāi)發(fā)與制備起到關(guān)鍵支撐作用。

28、本發(fā)明在寬溫域高阻尼鈦合金成分設(shè)計(jì)時(shí)，主要兼顧不同合金化元素的作用和調(diào)控鈦合金穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)方面：第一，在合金化元素的選取時(shí)，重點(diǎn)考慮α相穩(wěn)定元素al和o、共析型β穩(wěn)定元素cr、同晶型β穩(wěn)定元素mo和中性元素zr，充分兼顧不同合金化元素稟賦。al元素是常用α相穩(wěn)定元素，起到固溶強(qiáng)化和降低合金密度作用；少量間隙元素o元素的添加可以顯著增強(qiáng)α相固溶強(qiáng)化效果，同時(shí)以snoek弛豫效應(yīng)增強(qiáng)材料阻尼性能；作為非活性共析元素cr，利用其強(qiáng)大的β穩(wěn)定能力起到固溶強(qiáng)化效果，以及提高鈦合金熱穩(wěn)定性和改善其高溫強(qiáng)度；同晶型β穩(wěn)定元素mo的添加，可以提高鈦合金抗蠕變能力，同時(shí)改善合金高溫性能和加工變形能力；少量中性元素zr的添加，可以起到固溶強(qiáng)化作用和提高合金熱穩(wěn)定性，同時(shí)可以細(xì)化鈦合金鑄態(tài)組織從而改善合金的熱加工能力。第二，確定不同元素的添加量，從而調(diào)控鈦合金穩(wěn)定性。基于d電子設(shè)計(jì)理論中和bo參數(shù)的計(jì)算方法，根據(jù)md-bo關(guān)系圖和不同合金穩(wěn)定性下的相變行為，從而確定不同合金化元素的添加范圍區(qū)間。結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定合金元素和添加量，即所添加質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的元素al:3.4～5.2％，cr:2.8～4.4％，mo:2.6～4.5％，zr:0.7～1.5％，o:0.17～0.41％，余量為ti。

29、本發(fā)明在寬溫域高阻尼鈦合金的成分設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注了鈦合金中d電子設(shè)計(jì)理論，通過(guò)調(diào)節(jié)合金穩(wěn)定性與α析出相，分別引入應(yīng)力誘發(fā)相變和應(yīng)力誘發(fā)孿晶的塑性變形方式，為獲得突出的材料塑性變形能力(均勻延伸率大于等于15％)打下基礎(chǔ)，同時(shí)也可以改善高阻尼鈦合金加工性能和縮短其制備流程。

30、本發(fā)明的制備方法中均勻化處理，主要出發(fā)點(diǎn)是消除真空熔煉慢冷過(guò)程形成的枝晶間成分局部非均勻的現(xiàn)象，消除因凝固而形成的成分偏析，從而改善材料后續(xù)的加工性能，從而提高了材料的成品率，彌補(bǔ)了微量間隙元素o添加帶來(lái)的難加工問(wèn)題。

31、本發(fā)明的制備方法中β和近β鍛造相結(jié)合的鍛造方式，先行高溫β鍛造而后降溫近β鍛造，有益于消除凝固過(guò)程形成的微孔和疏松，提高合金的致密度和完成性；近β鍛造更有利于提高組織的細(xì)化效果，優(yōu)化合金的綜合性能，同時(shí)可以起到定型軋制板坯的作用。

32、本發(fā)明的制備方法中軋制處理步驟有關(guān)溫度選擇和保溫時(shí)間控制，既可以保障高阻尼鈦合金的變形能力，又可以降低熱處理保溫過(guò)程中板材表面的氧化作用，從而提高了軋制效率。

33、采用本發(fā)明的制備方法制得的寬溫域高阻尼鈦合金不僅突破了現(xiàn)有阻尼鈦合金高溫下服役溫暖區(qū)間窄的難題，在200℃～400℃內(nèi)，阻尼系數(shù)為0.025～0.065；另外，其抗拉強(qiáng)度大于等于800mpa，屈服強(qiáng)度大于等于600mpa，均勻延伸率大于等于15％，斷裂延伸率大于等于25％，兼具高強(qiáng)度高塑性的優(yōu)異綜合力學(xué)性能，有望在航空、艦船等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

34、本發(fā)明中的合金開(kāi)發(fā)是基于亞穩(wěn)β相變的阻尼物理機(jī)制，通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)，以及鑄錠熔煉、熱機(jī)械加工和退火處理等制備方法，獲得了一種兼具寬溫域高阻尼高性能鈦合金材料，其在200℃～400℃內(nèi)，阻尼系數(shù)為0.025～0.065，且抗拉強(qiáng)度大于等于800mpa，屈服強(qiáng)度大于等于600mpa，均勻延伸率大于等于15％，斷裂延伸率大于等于25％，不僅突破了現(xiàn)有阻尼鈦合金高溫下服役溫暖區(qū)間窄的難題，而且兼具高強(qiáng)度高塑性的優(yōu)異綜合力學(xué)性能，有望在航空、艦船等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。