用于機(jī)械密封件的鈦合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及鈦合金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于機(jī)械密 封件的鈦合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 密封性是保證航空管路連接件安全性的首要基礎(chǔ)，屬于管路系統(tǒng)考核中非常關(guān)鍵 的技術(shù)指標(biāo)，例如，對(duì)材料要求最高的液壓管路在飛機(jī)上分布廣、工作壓力大，一旦發(fā)生泄 漏將影響系統(tǒng)正常工作，甚至危及飛機(jī)安全。如圖1所示的可拆卸型液壓管路連接件是目 前國(guó)際上廣泛采用的重要連接方式之一。該種管路連接件是通過(guò)擰緊外套螺母1，使相應(yīng)的 密封管套2外側(cè)和管接頭24°內(nèi)錐面緊密接觸，而且管套內(nèi)壁具有波紋狀的多槽結(jié)構(gòu)，經(jīng) 過(guò)預(yù)裝后擠壓在導(dǎo)管3上，從而獲得結(jié)構(gòu)密封。其中，位于導(dǎo)管外側(cè)的管套發(fā)揮著機(jī)械密封 件的作用，是管路連接件中的重中之重。
[0003]當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)部液壓載荷較小時(shí)，該種管路連接件尚能滿足要求。但液壓載荷提高是 先進(jìn)飛機(jī)液壓管路的發(fā)展趨勢(shì)，隨著液壓載荷的提高，在管套和導(dǎo)管結(jié)合處極易發(fā)生泄漏， 這就需要提高管路連接件的密封效果。針對(duì)此種需求，現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)管路連接件進(jìn)行了多 種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0004]但是，本專利的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，僅僅針對(duì)管路連接件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、依靠管路連接件 的結(jié)構(gòu)密封，已難以充分滿足未來(lái)航空液壓管路密封性提高的要求。不論何種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都 有可能由于導(dǎo)管和管套的匹配問(wèn)題而在大液壓載荷的情況下出現(xiàn)泄露。如果從材料設(shè)計(jì)的 角度出發(fā)、設(shè)計(jì)出一種新的管套材料，利用新材料管套彈性模量越低、回彈越大的特性，緊 緊地?cái)D壓在導(dǎo)管上；另外，管套的彈性變形部分還可吸收液壓管路中的震動(dòng)，增加管路的抗 疲勞能力，這也是傳統(tǒng)管套的硬性結(jié)構(gòu)密封（包括過(guò)盈配合）所不能實(shí)現(xiàn)的。因此，為了保 證未來(lái)先進(jìn)飛機(jī)液壓管路的密封效果，急需提供一種優(yōu)異的功能性密封管套，該新材料管 套不但需要具有和先進(jìn)導(dǎo)管匹配的高強(qiáng)度和塑性，還要具備比導(dǎo)管材料低的彈性模量。
[0005] 目前，國(guó)際上采用的先進(jìn)導(dǎo)管材料為Ti-3Al-2. 5V。表1是Ti-3Al-2. 5V與常用管 套材料彈性模量與拉伸強(qiáng)度的典型值。
[0006] 由表1可見(jiàn)，Ti-6A1-4V及21-6-9鋼雖然與Ti-3Al-2. 5V強(qiáng)度匹配，但彈性模量 均高于Ti-3A1-2.5V。也即，在管路內(nèi)部液壓載荷作用下，雖然導(dǎo)管和管套都發(fā)生回彈，但高 彈性模量的管套比導(dǎo)管回彈小，管套不能更緊密地?cái)D壓在導(dǎo)管上，其本身不具備彈性密封 作用，顯然不能滿足未來(lái)先進(jìn)飛機(jī)管路液壓載荷提高的要求。
[0007] 表1常用航空材料彈性模量及拉伸強(qiáng)度典型值
[0008]
[0009] 而現(xiàn)有的低模量鈦合金材料，大多集中在醫(yī)用領(lǐng)域，且主要集中在Ti-Nb系合金。 由于醫(yī)用領(lǐng)域的特殊性，并且，由于其生物用途，現(xiàn)有Ti-Nb系合金不能包含Al、V等生物 毒性元素。對(duì)于低模量的Ti-Nb-Zr系鈦合金，目前已有多個(gè)專利申請(qǐng)，例如CN101921929 涉及一種Ti-35Nb-2Ta-3Zr-(0. 13~0. 53)0合金，但最高抗拉強(qiáng)度也只達(dá)到883.IMPa， 相對(duì)于液壓導(dǎo)管強(qiáng)度偏低。此外，日本學(xué)者研發(fā)了以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-(0.07~0.93) 0 為代表的系列合金（TadahikoFuruta，etal，Effectofoxygenonphasestability andelasticdeformationbehavioringummetal,J.JapanInst.Metals, 2006 ；70 (7)： 579~585)，獲得低彈性模量及高強(qiáng)度性能，但在抗拉強(qiáng)度較高時(shí)（>900MPa)，延伸率 < 10%，塑性偏低。
[0010] 可見(jiàn)，現(xiàn)有鈦合金的技術(shù)研宄方向主要集中在降低合金彈性模量，但從未有人從 導(dǎo)管和管套的匹配問(wèn)題出發(fā)，為獲得更好的密封性去設(shè)計(jì)兼具低彈性模量、高強(qiáng)度、高塑性 的鈦合金材料體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，即管套等機(jī)械密封件鈦合金材料不能兼具低彈性模量、 高強(qiáng)度、高塑性的缺陷，從而提供一種適于制造機(jī)械密封件的低彈性模量、高強(qiáng)度、高塑性 的鈦合金材料及其制備方法。
[0012] 本發(fā)明提供一種用于機(jī)械密封件的Ti-Nb-0三元鈦合金，經(jīng)過(guò)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)后 的鈦合金組份及重量百分比為：Nb:33wt%~40wt% ;0 :0? 3wt%~0? 5wt%，優(yōu)選不含 0.3wt%端點(diǎn)值，或更優(yōu)選0 0.3wt%~0.4wt% ;余量為Ti。
[0013] 優(yōu)選地，該鈦合金的平均彈性模量Emean與Nb、0的重量百分?jǐn)?shù)滿足下式（1):
[0014]Emean= 996. 5-50. 4x~67. 9y+0. 67x2+80. 58y2+l. 25xy(1)
[0015] 式⑴中：x為Nb的重量百分?jǐn)?shù)；y為0的重量百分?jǐn)?shù)；
[0016]Emean單位：GPa〇
[0017]優(yōu)選地，該鈦合金的屈服強(qiáng)度G。與Nb、0的重量百分?jǐn)?shù)滿足下式⑵：
[0018]^〇2= -6127. 43+405. 14x-1921. 25y-5. 62x2+4713. 94y2-l. 57xy(2)
[0019] 式⑵中：x為Nb的重量百分?jǐn)?shù)；y為0的重量百分?jǐn)?shù)；
[0020] GQ2 單位：MPa。
[0021] 優(yōu)選地，當(dāng)x= 33~40,y= 0. 3~0. 4時(shí)所述鈦合金彈性模量E不高于65GPa， 同時(shí)屈服強(qiáng)度GQ.2不低于900MPa。
[0022] 優(yōu)選地，該鈦合金主要為0相，且含有不高于5Vol%的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體a"相，優(yōu) 選不高于2Vol%的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體a"相。
[0023] 優(yōu)選地，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該鈦合金抗拉強(qiáng)度Q不低于lOOOMPa、屈服強(qiáng)度Ga2不低 于900MPa、延伸率S5高于11%、彈性模量E不高于65GPa。
[0024] 本發(fā)明還提供一種用于機(jī)械密封件的鈦合金，經(jīng)過(guò)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鈦合金組份 及重量百分比為：Nb:33wt%~40wt% ;0 :0? 3wt%~0? 5wt%，優(yōu)選 0 :0? 3wt%~0? 4wt%; 以及優(yōu)選以下元素組：〇~3wt%V、0~3wt%Zr、0~2wt%A1中的一種或多種；余量為 Ti〇
[0025] 進(jìn)一步地，規(guī)定所述鈦合金的[A1]當(dāng)量為3~5. 5，[Mo]當(dāng)量為9. 17~11. 5，
[0026][A1]當(dāng)量計(jì)算公式為：
[0027][Al] = %A1+%Zr/6+%OX10；
[0028][Mo]當(dāng)量計(jì)算公式為：
[0029] [Mo]當(dāng)量=%Nb/3. 6+%V/1. 5
[0030] 式中％表示各元素的重量百分比。
[0031] 進(jìn)一步地，所述鈦合金添加V:0? 5wt%~3wt%;Zr:0? 5wt%~3wt%;A1 :0~ 2wt%中的一種或多種，且Al含量2wt%端點(diǎn)值除外。
[0032] 優(yōu)選地，所述鈦合金主要為0相，且含有不高于5Vol%的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體a"相， 優(yōu)選不高于2Vol%的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體a"相。
[0033] 優(yōu)選地，經(jīng)研宄表明，上述顯微組織及相成分特征確保了該鈦合金具有的抗拉強(qiáng) 度不低于lOOOMPa、屈服強(qiáng)度G^不低于900MPa、延伸率S5高于11%、彈性模量E不 高于65GPa的最佳匹配。
[0034] 本發(fā)明還提供一種用于機(jī)械密封件的鈦合金的制備方法，包括如下步驟：
[0035](1)將合金原料按照比例配比，壓制成電極；
[0036](2)將合金電極進(jìn)行熔煉，熔煉優(yōu)選在真空自耗電弧爐中進(jìn)行；
[0037] (3)熔煉完成后均勻化處理，得到化學(xué)成分均勻的鑄錠；
[0038] (4)將均勻化處理后鑄錠開(kāi)坯鍛造，及熱鍛、熱軋，以提供組織均勻的坯料；優(yōu)選 開(kāi)坯鍛造溫度為900°C~1KKTC，更優(yōu)選為900°C~950°C;
[0039](5)將前述的坯料進(jìn)行冷軋、冷拔或冷旋鍛的冷加工處理。
[0040] 優(yōu)選地，冷加工處理采用冷軋，經(jīng)研宄表明：
[0041] 上述方法所制得鈦合金平均彈性模量Emean與冷軋變形量滿足下式（3):
[0042]Emean=Kl_K2Xz+K3Xz2 (3)
[0043]式⑶中：z為冷軋變形量百分?jǐn)?shù)，Z多23 ;K1為常數(shù)，取90-95 ;K2為系數(shù)，取 1-1. 1 ;K3 為系數(shù)，取 0-0? 01;Emean單位：GPa〇
[0044] 進(jìn)一步地，均勻化處理溫度為900°C~1100°C;更優(yōu)選地，均勻化處理進(jìn)行20h~ 30h〇
[0045] 本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述的步驟（5)后進(jìn)行時(shí)效處理：優(yōu)選在450°C~ 650°C、更優(yōu)選在450°C~550°C時(shí)效處理10min~120min，優(yōu)選冷卻方式為空冷，使合金去 除殘余應(yīng)力，保持低彈性模量和較高塑性，并提高強(qiáng)度。