一种高强韧钛合金及基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法技术

本发明专利技术属于合金成分设计领域，并具体公开了一种高强韧钛合金及基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其包括：根据钛合金组分制备靶材，通过磁控溅射在基体上制备多元合金薄膜；将基体上的多元合金薄膜划分为多个区域，测得各区域元素成分，并获取各区域对应的硬度H和合金抵抗弹塑性变形功W；根据各区域元素成分构建多元相图，将H和W分别置于该多元相图中，得到H云图和W云图；保留H云图和W云图中强度大于预设值的部分，然后求交集，对得到的交集图进行网格划分，根据网格交点对应的各元素成分确定钛合金成分。本发明专利技术简、通量高，能通过一次共溅射得到多组分钛合金，为高强韧钛合金成分设计提供一种低成本、高效率的设计方法。高效率的设计方法。高效率的设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧钛合金及基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法


[0001]本专利技术属于合金成分设计领域，更具体地，涉及一种高强韧钛合金及基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法。

技术介绍

[0002]结构钛合金已成为航空、航天、船舶等重大工程领域的关键材料，其具有较高的强韧性是应对复杂环境所必备的重要力学性能。目前，围绕高强韧钛合金已开发出多种钛合金成分，如航空用TC18、TC16，航海用Ti75，Ti80等。其中，TC16(Ti
‑
3Al
‑
5Mo
‑
4.5V)因具有较高的强度、塑性以及冲击韧性，常用于制作航空紧固件的首选材料。然而，作为一种马氏体型α+β两相钛合金，TC16具有较高含量的β稳定元素(β稳定系数K
β
＝0.8)，在焊接过程中易析出脆性ω相从而恶化合金力学性能。因此，亟需开发出新型的高强韧钛合金以满足我国在深空、深海等严苛环境下对装备可靠性提出的更高要求。
[0003]目前寻找/开发性能优异的高强韧钛合金材料大部分是基于Mo当量法、K
β
稳定系数、电子浓度、d电子理论等方法设计合金成分，由于各合金元素复杂的物理作用关系，这些方法难以准确预测合金性能，往往需要结合试错法，通过制备多种合金成分进行性能测试，加以比较和验证，最终选取出最优性能对应的元素成分比例。以上方法需要制备大量的试样，工作量大并且效率低。作为一种沉积镀膜方法，磁控溅射利用等离子体的正氩离子与带负电的靶材碰撞，使得靶材表面的中性原子或分子获得足够动能脱离靶材表面，沉积在基片表面形成薄膜，该方法非常适合高通量筛选涂层材料。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高强韧钛合金及基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其目的在于，实现高强韧钛合金成分的快速筛选，解决钛合金成分设计复杂低效的难题。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提出了一种基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，包括如下步骤：
[0006]S1、根据钛合金组分制备靶材，将各靶材安装在不同靶位上，通过磁控溅射在基体上制备多元合金薄膜；
[0007]S2、将基体上的多元合金薄膜划分为多个区域，测得各区域元素成分，并获取各区域对应的硬度H和合金抵抗弹塑性变形功W；根据各区域元素成分构建多元相图，将硬度H和合金抵抗弹塑性变形功W分别置于该多元相图中，得到H云图和W云图；
[0008]S3、保留H云图和W云图中强度大于预设值的部分，然后将两个保留部分求交集，对得到的交集图进行网格划分，根据网格交点对应的各元素成分确定钛合金成分。
[0009]作为进一步优选的，通过能谱仪测得各区域元素成分；通过纳米压痕测试各区域硬度H和载荷位移曲线，载荷位移曲线加压段包围的面积即为合金抵抗弹塑性变形功W。
[0010]作为进一步优选的，进行纳米压痕测试时，施加载荷为200μN～20mN。
[0011]作为进一步优选的，进行磁控溅射时，共有三个靶位，三个靶位周向均匀分布，三个靶位上分别安装不同靶材，任意两个靶材中心的间距为100mm～160mm；靶材中心与基体的距离为80mm～120mm。
[0012]作为进一步优选的，磁控溅射工艺参数为：靶材功率为100～350W，溅射时间0.5～5h，气压为10～30mTorr，真空度为5
×
10
‑6～8
×
10
‑6Pa。
[0013]作为进一步优选的，构建多元相图的方法具体为：在测得的区域元素成分中，除去钛元素，然后将其他合金元素按比例进行归一化，以归一化后的合金元素质量百分比作为多元相图坐标。
[0014]作为进一步优选的，步骤S3中，保留H云图和W云图中强度大于预设值的部分，预设值为云图中最大强度的80％。
[0015]作为进一步优选的，所述钛合金为Ti
‑
Al
‑
Mo
‑
V系、Ti
‑
Al
‑
Mo
‑
Zr系、Ti
‑
Al
‑
Nb
‑
Zr系、Ti
‑
Al
‑
Nb
‑
Zr
‑
Mo系或Ti
‑
Al
‑
Nb
‑
Zr
‑
V系合金；所述靶材包括靶材Ti和其他靶材，所述其他靶材为靶材Mo、靶材ZrMo、靶材ZrNb、靶材AlNb、靶材AlMo以及Al、Mo、Nb、Zr、V中任意元素组合的二元或三元合金靶材中的数个。
[0016]按照本专利技术的另一方面，提供了一种高强韧钛合金，该钛合金成分采用上述基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法确定。
[0017]作为进一步优选的，该钛合金成分范围为Ti：62.0～99.4wt.％，Al：0.1～6.0wt.％，Mo：0.5～8.0wt.％，Nb：0～7.0wt.％，Zr：0～8.0wt.％，V：0～9.0wt.％。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0019]1、本专利技术通过磁控溅射技术，高通量制备出成分局部均匀、梯度分布的多元合金薄膜，进而基于合金元素对强度和抗弹性变形功的相关性差异，建立基于多元相图的硬度云图和抗弹性变形功云图，从而通过云图交集确定最终合金成分范围。本专利技术科实现高强韧钛合金成分的快速筛选，解决钛合金成分设计复杂低效的难题。
[0020]2、直接计算得出的区域中参数点值受实验限制，具有一定局限性；本专利技术通过云图求解合金成分范围，云图可以将测试得到的点值转化为渐变范围，并且云图反映了合金元素对钛合金硬度及抗塑性变形功的影响权重，具有一定统计意义和科学意义，可以得到更为准确的合金成分。
[0021]3、本专利技术对靶材布置方式进行设计，以获取成分梯度更加均匀变化的薄膜；同时针对各合金元素对钛合金熔点、相组成及凝固速率的影响，对磁控溅射参数进行设计，从而制备出在厚度方向成分均匀、水平方向成分渐变的钛合金薄膜，为钛合金成分筛选提供大的优选空间。
[0022]4、按本专利技术方法筛选得到的高强韧钛合金，其拉伸强度大于820MPa，塑性大于20％，夏比冲击功大于50J。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法示意图。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]本专利技术实施例提供的一种基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0026本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据钛合金组分制备靶材，将各靶材安装在不同靶位上，通过磁控溅射在基体上制备多元合金薄膜；S2、将基体上的多元合金薄膜划分为多个区域，测得各区域元素成分，并获取各区域对应的硬度H和合金抵抗弹塑性变形功W；根据各区域元素成分构建多元相图，将硬度H和合金抵抗弹塑性变形功W分别置于该多元相图中，得到H云图和W云图；S3、保留H云图和W云图中强度大于预设值的部分，然后将两个保留部分求交集，对得到的交集图进行网格划分，根据网格交点对应的各元素成分确定钛合金成分。2.如权利要求1所述的基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其特征在于，通过能谱仪测得各区域元素成分；通过纳米压痕测试各区域硬度H和载荷位移曲线，载荷位移曲线加压段包围的面积即为合金抵抗弹塑性变形功W。3.如权利要求2所述的基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其特征在于，进行纳米压痕测试时，施加载荷为200μN～20mN。4.如权利要求1所述的基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其特征在于，进行磁控溅射时，共有三个靶位，三个靶位周向均匀分布，三个靶位上分别安装不同靶材，任意两个靶材中心的间距为100mm～160mm；靶材中心与基体的距离为80mm～120mm。5.如权利要求4所述的基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其特征在于，磁控溅射工艺参数为：靶材功率为100～350W，溅射时间0.5～5h，气压为10～30mTorr，真空度为5
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‑6Pa。6.如权利要求1所述的基于磁控溅射的钛合金成分筛选方法，其特征在于，构建多元相图的方法具体为：在测得的区域元素成分中，除去钛元素，然后将其他合金元素按比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：李元元，李宁，罗炫，高帅，赵超，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：