ti45nb合金的热物理性能测定及分析2017.4.28

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1、第一作者等：正标题5Ti45Nb合金的热物理性能测定及分析收稿日期：2017-02-21基金项目：国家国际科技合作专项（2015DFR50010）；陕西省科技统筹创新工程计划（2016KTCQ01-100）作者简介：钟杰华，男，1981年生，硕士，工程师，主要从事航天飞行器结构与分离设计，E-mail：zhongjiehua2001@163.com通讯作者简介：赖运金，男，1979年生，博士，高级工程师，主要从事特种钛合金材料制备技术研究，E-mail：30149395@qq.com钟杰华1，赖运金2，蔡昱1，侯峰起2，张海3，杨辉2

2、，张小航2(1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076；2.西部超导材料科技股份有限公司特种钛合金材料制备技术国家地方联合工程实验室，西安710018；3.中航工业成都飞机设计研究所，成都610091)摘要：热物理性能测试结果表明：在室温到300℃范围，Ti45Nb合金的泊松比受温度的影响较小，杨氏模量和剪切模量随温度的升高而急剧下降；热扩散率和热导率随着温度的升高呈线性增加；比热随温度升高呈抛物线增加；线热膨胀量曲线在50℃以前呈抛物线增加，50℃以后呈线性增加；瞬时线膨胀曲线在100℃前随着温度的升高呈线性增加，10

3、0℃后趋于稳态。关键词：Ti45Nb合金；热物理性能；弹性性能中图分类号：TG146.2+3文献标识码：A0引言为了解决高压釜用钛合金的燃烧问题，美国TeledyneWahChangAlbany公司开发成功了Ti45Nb合金（国内牌号TB14），该合金具有良好的阻燃性能和耐蚀性能，被广泛用于制作高压釜的放气阀、氧气管和蒸汽喷嘴以及医疗器械等[1-4]。此外，Ti45Nb合金还是一种在航空航天领域被大量使用的铆钉材料，其在退火态具有非常优异的冷镦性能，与复合材料之间的电位差小，特别适合于复合材料连接结构的铆接，与其它的常用铆钉材料相比，

4、钛合金的比强度高，而在铆钉用钛合金材料中，钛铌铆钉和纯钛铆钉比较容易铆接成形。钛铌合金的剪切强度和抗拉强度均高于纯钛，而且变形抗力低于纯钛，因此在美国大量采用钛铌合金铆钉取代纯钛铆钉，尤其在航空航天飞行器中；但在国内，Ti45Nb合金作为铆钉材料属于全新的研究领域，最初在某新型飞机研制中首次采用进口钛铌铆钉用于复合材料的铆接[5-7]。作为一种功能性钛铌合金材料，Ti45Nb合金显微组织与力学性能方面的文献报道[8-10]相对较多，而对其热物理性能基础研究尚未见报道。本文采用敲击共振法测量弹性性能，采用激光脉冲法测量7第一作者等：正标

5、题5热扩散率，采用比较法测量比热，采用非稳态法测量热导率，采用顶杆法测量热膨胀，并首次对Ti45Nb合金的热物理性能数据进行了分析研究，期望能为钛铌合金材料的发展和工程化应用提供基础数据。1实验1.1实验材料本实验采用的材料为西部超导材料科技股份有限公司生产的Ti45Nb合金Φ18mm规格棒材，用线切割在棒材上取金相样品，经磨光、抛光及腐蚀后，采用LEICAMEF4A倒立式金相显微镜观察样品的横向和纵向显微组织形貌。经过（840℃±10℃）×60min，FC热处理后的退火态横向和纵向显微组织如图1所示，均为完全再结晶后的等轴组织，横向

6、显微组织的平均晶粒尺寸约为30μm（见图1a），纵向显微组织的平均晶粒尺寸约为50μm，且纵向显微组织中存在明显的变形流线（见图1b）。对Ti45Nb合金Φ18mm规格棒材中心位置沿着长度方向（纵向）取样进行热物理性能测试。(b)(a)图1Ti45Nb合金棒材横纵向退火态显微组织Fig.2Macrostructuresoftransversedirection(a)andlongitudinaldirection(b)ofTi45Nballoybar1.2热物理性能测试方法弹性性能（杨氏模量、剪切模量和泊松比）在RFDAHTVP175

7、0-C仪器上，采用敲击共振法测量；在FlashlineTM-500ThermalPropertiesAnalyzer仪器上，热导率采用非稳态法测量，热扩散率采用激光脉冲法测量，比热利用待测样品与参考样品比较的方法测量；热膨胀（线性热膨胀和平均线膨胀系数）在UnithermTMDilatometerSystemSeries1000仪器上，采用顶杆法测量。3结果与讨论3.1Ti45Nb合金的弹性性能温度是影响钛合金材料热物理性能的重要因素[11,12]。7第一作者等：正标题5根据胡克定律，在弹性范围内，应力与应变成正比，比值称为杨氏模量；

8、杨氏模量的数值反映材料的刚性，杨氏模量E数值越大，形变抗力越大。图2a为Ti45Nb合金的杨氏模量和剪切模量与温度关系曲线，从图中可以看出，在室温到300℃范围内，Ti45Nb合金的杨氏模量E和剪切模量G随着温度的升高而