钛基合金材料低温负热膨胀性能研究

Titanium alloys are widely used in cryogenic engineering and aerospace due to their excellent mechanical properties and easy processability. Currently, extensive studies focused on their mechanical properties, whereas the knowledge of thermal properties, especially the properties of the negative thermal expansion(NTE) at low temperature of these alloys as well as the thermal expansion mechanism is limited. The purpose of this project is to investigate the relationship of element content, phase structures and the processes with thermal expansion properties of titanium alloys including common alloying elements (Zr, Hf, Nb, Sn, etc.). The relationship between the microstructure of the materials and thermal expansion properties will be clarified to have a deep understanding about the mechanism of the thermal expansion behavior of titanium alloys. These properties will be characterized by XRD, SEM, HRTEM, PPMS and other instruments. Finally, the titanium-based alloys with enhanced mechanical properties, controllable NTE (especially at low temperatures) and even zero expansion within a certain temperature range can be used in more extensive fields.

钛合金因具有优异的力学性能和方便的可加工性而在低温工程、航天工程等领域具有广泛的应用性。目前，国内外对钛合金的研究主要集中在力学性能上，对这类合金材料的热膨胀性能，尤其是低温下的负热膨胀(NTE)性能，及热膨胀机理尚未被充分系统地认识。因此，本项目拟以具有低热膨胀系数的钛合金（含有Zr、Hf、Nb、Sn等合金元素）为研究对象，分析元素含量、相结构以及制备工艺对热膨胀性能的影响。采用XRD、扫描电镜、高分辨透射电镜、PPMS（物理性能测试系统）等设备表征材料微观结构、热学和力学性能，分析材料的微观结构与热膨胀性能的关系，阐明材料成分---微观结构---热膨胀性能的关系，掌握钛合金热膨胀行为的机理。最终实现力学性能增强、在一定温度范围内（特别是低温条件下）热膨胀系数可控的效果，得到具有负热膨胀系数甚至是近零膨胀系数的钛基合金材料，从而为未来钛合金的进一步广泛应用提供参考。

在航空航天航海、机械工程、精密仪器等领域大量应用的部件和设施中，材料因温度变化而发生热胀冷缩的现象很大程度地制约着结构和部件的适用范围和使用寿命。由于热膨胀和热应力引起的器件可靠性问题已经引起了广泛的关注并且有待解决。同时因为在精密仪器，光学装置，结构部件中的实际应用的重要性，零膨胀材料作为一种特殊的功能材料，已经成为当今的研究热点。. 钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性强、耐高低温、透声性好、无磁性、可冷热成形、焊接性能好等优异性能，是航天航空技术和低温工程中优选的的金属材料之一。但是，国内外关于钛合金的研究报道主要集中在力学研究方面，而关于热学性能尤其是低热膨胀系数的金属材料研究报道寥寥无几。同时，目前国内外对金属材料负热膨胀机理的研究仍处于起步阶段，关于Ti合金负热膨胀行为及相关机理研究的详实报道也是少之又少。所以，为开发新型低膨胀Ti合金材料，对Ti合金的负热膨胀行为及其相关机理的研究也必然非常关键。. 本项目以具有低热膨胀系数的钛合金为研究对象，分析了相结构以及制备工艺对热膨胀性能的影响，采用XRD、PPMS（物理性能测试系统）等设备表征材料微观结构、热学和力学性能分析材料的微观结构与热膨胀性能的关系。通过研究发现300 K该材料抗拉强度达到1155.9MPa，而杨氏模量只有60.4GPa。而4.2 K时抗拉强度达到1961.9MPa，而杨氏模量只有76.2GPa。这种高强度低模量的钛合金在实际生活中有着非常广泛的应用。同时对材料热膨胀性能做了深入的研究。通过调节制备工艺，最终制备出了具有负热膨胀的钛合金。并对热膨胀系数进行了调节。最终实现了100 K 到623 K的宽温区零膨胀钛合金。十多次的循环热膨胀测试证明这种零膨胀性质是可以重复的，同时这种方法也适用于获得超过20 × 10-6 K-1的高热膨胀系数钛合金。由于具有宽温区零膨胀性质和多种超级性能，这种材料会在低温阀门，大型液化系统，超导磁体等工程应用中具有很大的潜力。