[發(fā)明專利]用于機械密封件的鈦合金及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510320156.2
• 申請日: 2015-06-11
• 公開（公告）號: CN104962777B
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王玉會;陳鋒;張旺峰;李果;顏孟奇;李野;余新泉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院;東南大學(xué)
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02
• 代理公司: 中國航空專利中心11008
• 代理人: 梁瑞林

技術(shù)領(lǐng)域

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械密封件的鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)

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，對材料要求最高的液壓管路在飛機上分布廣、工作壓力大，一旦發(fā)生泄漏將影響系統(tǒng)正常工作，甚至危及飛機安全。如圖1所示的可拆卸型液壓管路連接件是目前國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)揮著機械密封件的作用，是管路連接件中的重中之重。

當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)部液壓載荷較小時，該種管路連接件尚能滿足要求。但液壓載荷提高是先進(jìn)飛機液壓管路的發(fā)展趨勢，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。針對此種需求，現(xiàn)有技術(shù)針對管路連接件進(jìn)行了多種結(jié)構(gòu)設(shè)計。

但是，本專利的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，僅僅針對管路連接件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、依靠管路連接件的結(jié)構(gòu)密封，已難以充分滿足未來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，都有可能由于導(dǎo)管和管套的匹配問題而在大液壓載荷的情況下出現(xiàn)泄露。如果從材料設(shè)計的角度出發(fā)、設(shè)計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，緊緊地擠壓在導(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，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(包括過盈配合)所不能實現(xiàn)的。因此，為了保證未來先進(jìn)飛機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)管匹配的高強度和塑性，還要具備比導(dǎo)管材料低的彈性模量。

目前，國際上采用的先進(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度的典型值。

由表1可見，Ti-6Al-4V及21-6-9鋼雖然與Ti-3Al-2.5V強度匹配，但彈性模量均高于Ti-3Al-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，管套不能更緊密地擠壓在導(dǎo)管上，其本身不具備彈性密封作用，顯然不能滿足未來先進(jìn)飛機管路液壓載荷提高的要求。

表1常用航空材料彈性模量及拉伸強度典型值

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。對于低模量的Ti-Nb-Zr系鈦合金，目前已有多個專利申請，例如CN 101921929涉及一種Ti-35Nb-2Ta-3Zr-(0.13～0.53)O合金，但最高抗拉強度也只達(dá)到883.1MPa，相對于液壓導(dǎo)管強度偏低。此外，日本學(xué)者研發(fā)了以Ti-36Nb-2Ta-3Zr-(0.07～0.93)O為代表的系列合金(Tadahiko Furuta,et al，Effect of oxygen on phase stability and elastic deformation behavior in gum metal，J.Japan Inst.Metals,2006；70(7)：579～585)，獲得低彈性模量及高強度性能，但在抗拉強度較高時(>900MPa)，延伸率≤10％，塑性偏低。

可見，現(xiàn)有鈦合金的技術(shù)研究方向主要集中在降低合金彈性模量，但從未有人從導(dǎo)管和管套的匹配問題出發(fā)，為獲得更好的密封性去設(shè)計兼具低彈性模量、高強度、高塑性的鈦合金材料體系。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，即管套等機械密封件鈦合金材料不能兼具低彈性模量、高強度、高塑性的缺陷，從而提供一種適于制造機械密封件的低彈性模量、高強度、高塑性的鈦合金材料及其制備方法。

本發(fā)明提供一種用于機械密封件的Ti-Nb-O三元鈦合金，經(jīng)過成分優(yōu)化設(shè)計后的鈦合金組份及重量百分比為：Nb：33wt％～40wt％；O：0.3wt％～0.5wt％，優(yōu)選不含0.3wt％端點值，或更優(yōu)選O 0.3wt％～0.4wt％；余量為Ti。

優(yōu)選地，該鈦合金的平均彈性模量Emean與Nb、O的重量百分?jǐn)?shù)滿足下式(1)：

Emean＝996.5-50.4x-67.9y+0.67x²+80.58y²+1.25xy(1)