一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜制造技术

一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于该钛合金振膜材料由下述金属元素组成：Ｖ、Ｍｏ元素之一种或两种，重量含量为１０％～１７％；Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｚｒ元素之一种或多种，重量含量为１％～１３％；Ａｌ、Ｂ元素之一种或两种，重量含量为０．１％～７％；Ｔｉ元素，余量。本发明专利技术强度高、刚性好，同时具有良好的成型性。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属膜材料，特别提供了一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜。由振动信号转换为电、位移、压力等信号，或电、位移、压力等信号转换为振动信号，必须经过振膜来实现，振膜材料的品质就成为换能装置(振动电、位移、压力)整体性能好坏的关键。优良的振膜材料应该具有低密度、高强度、高刚度、高传振速度和适宜的振动内部损耗等综合性能。表1列出了目前传声用振膜材料的相关物理性能。表1部分传声振膜材料的物理性能 由表1可以看出，金刚石具有最好的高频响应性能，缺点是制备金刚石膜的设备复杂、工艺繁琐、成本高昂，而且对基体的要求非常苛刻---要求熔点必须在900℃以上，热膨胀系数小，与工作气氛中的氢，碳不能发生化学反应等条件，这使金刚石振膜难于在近期内得到应用。具有质量轻、刚性高、传声速度快等特点的陶瓷材料(如氧化铝等)近年来引人注目，目前以下几个方面的问题制约了这种新材料的工业化1)陶瓷材料的熔点非常高(2000℃以上)，高温处理时，振膜的形状及尺寸精度无法保证；2)材料硬、脆，单独使用困难。国外采取物理气相沉积方法将陶瓷沉积在金属表面，不过此方法常出现结合不良，不均匀等问题，另外造价昂贵。金属振膜的比弹性率高、内阻尼小，大幅度提高换能装置的功率和灵敏度；同时由于金属振膜加工成型性好，耐腐蚀性强，使换能装置的整体性能达到极高水平。从换能装置的发展历程看，曾使用铍、不锈钢、铝、纯钛等金属材料制作振膜，但性能并不令人满意。在金属振膜中，铍是比弹性率最理想的材料，但铍资源很少，价格昂贵，另外杂质含量控制、加工性及表面处理等方面存在很大问题，目前在国内尚无法使用。铝和不锈钢振膜价格便宜，加工成型性好，是目前主要使用的材料。铝的强度低，刚性差，不耐蚀，不锈钢密度太大，几方面原因使这两种材料主要用于低品位、要求不高的换能装置上。纯钛是八十年代末新兴的振膜材料，国外在一些高档换能装置上已普遍使用，但纯钛振膜的最大缺点是强度低、刚性差，当前急于寻找一种新的金属振膜来代替它。进入九十年代，使用纯钛振膜成为时尚。针对纯钛刚性差的弱点，国内外科技工作者提出了不少办法，例如渗硼、渗氮、表面镀金刚石膜等，但是都因为设备、工艺、性能、成本等方面原因未能产业化。本专利技术的目的在于提供一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其强度高、刚性好，同时具有良好的成型性。本专利技术提供了一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于该钛合金振膜材料由下述金属元素组成V、Mo元素之一种或两种，重量含量为10％～17％；Cr、Fe、Sn、Zr元素之一种或多种，重量含量为1％～13％；Al、B元素之一种或两种，重量含量为0.1％～7％；Ti元素，余量。与现有技术相区别的是，为了改善纯钛振膜的物理和力学性能，本专利技术从膜材料的角度出发，对钛振膜进行了改进，提供了一种钛合金振膜。具体地讲，为了使钛合金振膜达到最佳物理性能及力学性能匹配，在合金设计时，是从下述几个方面考虑的从钛合金相图可知，高温稳定相为β相，立方晶系；低温稳定相为α相，六方晶系。由于立方晶系的滑移系较多，因此含β相多的钛合金变形比较容易。降低α-β相交温度的元素称为β稳定元素，包括Mo、V、Zr、Nd、Hf、Ta、Re等；提高α-β相交温度的元素称为α稳定元素，包括Al、Ga、C、O等。由于合β相多的钛合金易于冷变形--适于箔材轧制，因此要选择V、Mo等β稳定元素做振膜用钛合金的主要成分。在合金设计时，即要考虑合金元素对钛合金加工成型性的影响，又要考虑降低合金的密度，同时提高合金的弹性模量，从这个角度讲，合金中应加入适量的α稳定元素。例如B元素，该元素比重小，同时能在钛合金中析出TiB相而显著提高合金弹性模量。当纯钛中TiB相体积分数由0增至15％时，弹性模量由109GPa提高到139GPa；Ti-6Al-4V合金中B合量由0增至2％时，弹性模量由116.7GPa提高到140GPa。另外Al元素密度小，同时亦能显著提高合金弹性模量。Ti-8Al-1Mo-1V(Ti-811)合金由于Al含量高，成为目前弹性模量最高的钛合金。综合分析，选择Al和B作为合金强化元素。从成本、熔炼偏析程度及冷加工性能方面考虑，选择的β稳定元素为V、Mo、Cr、Sn、Zr、Fe元素；从比重、弹性模量及热处理工艺方面考虑，选择的α稳定元素为Al和B，这样就构成了振膜用3A-钛合金的合金成分，即β稳定元素(V，Mo，Cr，Sn，Zr，Fe)+α稳定元素(Al，B)。大量试验研究表明，合金的β稳定系数(Kβ)在1.2-2.4范围内，强β稳定元素V和Mo占绝大部分含量(大于10wt.％)，Cr、Fe、Sn、Zr则因环境要求不同，而进行适当变化。其中Kβ＝C/C临C--合金中β稳定元素的浓度C临--自β区淬火成百分之百的β组织的浓度对应于不同的应用场合，本专利技术还提供了相应的较佳成分范围。表2 本专利技术还提供了上述高强度高刚性高成型性钛合金振膜的制备方法，包括真空熔炼、冷轧真空退火、热处理，其特征在于冷轧真空退火制度为800～850℃/2h，AC；热处理制度为700～850℃/5～60min，AC；450～520℃/4～10h，AC。为了适应一些特殊场合对振膜的特殊要求，热处理之后需对振膜的表面进行渗硼，工艺条件为800/1～2h，AC。也可以在热处理之后进行渗氮，工艺条件为600/1～2h，AC。本专利技术成分振膜钛合金经热处理后，以β相为主兼有少量的α相和TiB化合物相。这些相中，α相和TiB化合物相为强化相，以提高振膜的强度和弹性模量，其形貌见附图说明图1和图2。对应不同的固溶温度区间，可以形成不同的组织，主要包括片状组织和等轴组织。在β单相区固溶，冷却过程中β相将发生马氏体转变，析出片层状α相，α片与残余β相一同构成了片状组织。片状组织由于晶粒度过大，强度和塑性都不高。在下两相区固溶，初生α相发生球化，形成等轴组织。这种组织具有最佳的综合性能。合金不同时效处理后的金相见图3。钛合金经时效处理后，其弹性模量可在120-160GPa，室温拉伸强度在1200-1800MPa范围内。下面通过实施例详述本专利技术。附图1α相弥散析出的金相照片。附图2TiB颗粒弥散析出的金相照片。附图3为冷轧箔材时效处理后的金相a-500℃，b-550℃，c-600℃，d-650℃，e-700℃。附图4为球顶型振膜工作示意图。附图5为弯曲圆片结构示意图。附图6为双压电膜片触觉传感器结构图。实施例1动圈扬声器振膜材料球顶型振膜(见图4)由于其激发的声场具有独特的优点，所以被广泛用于中、高频扬声器、耳机等动圈式电声器件中作为振动膜片。球顶型振膜的厚度一般在10-80μm。在以半径为R的圆周上胶合由导线绕制的音圈，音圈置于恒定磁场之中，当音圈中通过音频电流时，置于磁场中的音圈受到一个同时垂直于电流和磁场方向的力。这个力由音圈骨架传递到振膜上，振膜就以R为半径的圆周作为支点振动，并在空间激发与音频电流相对应的声场，从而完成电能到声能的转换。动圈扬声器振膜用钛合金成分可选择Ti-15V-1Mo-2Cr-2Sn-2Zr-0.45Fe-3Al-1B合金，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金，Ti-10V-2Fe-3Al合金，常规真空自耗炉三次熔炼，制得成分均匀的圆型铸锭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于该钛合金振膜材料由下述金属元素组成：Ｖ、Ｍｏ元素之一种或两种，重量含量为１０％～１７％；Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｚｒ元素之一种或多种，重量含量为１％～１３％；Ａｌ、Ｂ元素之一种或两种，重量 含量为０．１％～７％；Ｔｉ元素，余量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李阁平，
申请(专利权)人：李阁平，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]