一种低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法技术

本发明专利技术提供了一种低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法。通过亚稳β钛合金成分设计原理，确定钛合金中的元素组分及成分；结合相图计算和第一性原理计算方法分别判断和筛选低模量的亚稳β钛合金；采用磁控溅射方法，设计相关工艺，制备指定成分的钛合金薄膜并对其性能表征。该薄膜为具有低弹性模量的亚稳β结构，在航空航天、海洋工程、化工、核电、生物医疗等领域有广泛的发展和应用前景。物医疗等领域有广泛的发展和应用前景。物医疗等领域有广泛的发展和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种低模量亚稳
β
钛合金薄膜材料的设计和制备方法


[0001]本专利技术属于材料研究方法及
，具体涉及一种低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金材料具有较高的强度、韧性，优异的抗疲劳性能，以及良好的生物力学性能和抗腐蚀性，因而在航空航天、海洋工程、化工、核电、生物医疗等领域得到了广泛的应用。β稳定元素的添加使材料更容易形成性能优异的β相结构，很多学者对钛合金中添加不同的β稳定元素进行了研究，其中，Zr、Mo和Ta作为β稳定元素，其添加可提升钛合金的力学性能并降低弹性模量。一般的合金制备方法由于受到最大固溶度的影响，很难得到性能更优异的亚稳态β钛合金。这里，我们通过结合亚稳β钛合金设计、相图计算、第一性原理计算等理论计算方法以及物理气相沉积的实验方法设计预定成分的亚稳β钛合金薄膜材料。
[0003]相图计算方法的实质是通过目标体系中各相的结构信息和热力学信息构建它们的热力学模型，结合数学和物理分析，给出这些模型的Gibbs自由能表达式，通过Gibbs自由能公切线法则及相平衡条件来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过亚稳β钛合金成分设计原理，初步确定钛合金薄膜中的元素组分及成分；(2)获取相应体系的热力学数据库，利用CALPHAD相图计算方法计算平衡态相图，以及体心立方Bcc和/或密排立方Hcp相的吉布斯自由能曲线，根据相图计算结果构建特定成分的Bcc结构模型，通过第一性原理计算方法获得非平衡态的生成焓和弹性模量；(3)基于计算结果，通过物理气相沉积方法，制备特定成分的钛合金薄膜。2.根据权利要求1所述的低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法，其特征在于：步骤(1)中，亚稳β钛合金的成分设计原理，主要计算准则包括：准则1：亚稳β钛合金的价电子浓度e/a；准则2：亚稳β钛合金的β稳定系数；准则3：亚稳β钛合金的钼当量[Mo]；准则4：d
‑
电子合金设计方法。3.根据权利要求2所述的低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法，其特征在于：亚稳β钛合金的β稳定系数的计算公式为，K
β
＝C1/C
k1
+C2/C
k2
+
…
+C
n
/C
kn。
4.根据权利要求2所述的低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法，其特征在于：亚稳β钛合金的钼当量[Mo]的计算公式为，[Mo]
eq
＝1.0Mo+0.67V+0.44W+0.28Nb+0.22Ta+1.6Cr+2.9Fe+1.54Mn+1.25Ni
‑
Al；其中Mo、V、W、Nb、Ta、Cr、Fe、Mn、Ni、Al为相应元素的质量分数。5.根据权利要求1所述的低模量亚稳β钛合金薄膜材料的设计和制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，通过CALPHAD相图计算方法计算平衡态相图，以及体心立方Bcc和/或密排立方Hcp相的吉布斯自由能曲线和生成焓，通过第一性原理计算方法获得非平衡态的生成焓和弹性模量，主要步骤为：步骤1：获取相应体系的热力学数据库，通过相图计算软件Th...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟彬，常可可，刘孝飞，杜勇，徐凯，娄明，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：