*CN101763450A*
(10)申请公布号 CN 101763450 A(43)申请公布日 2010.06.30
(12)发明专利申请
(21)申请号 200910248943.5(22)申请日 2009.12.31
(71)申请人辽宁工业大学
地址121000 辽宁省锦州市古塔区士英街
169号
申请人西北有色金属研究院(72)发明人林成 赵永庆 刘志林
(74)专利代理机构锦州辽西专利事务所 21225
代理人李辉(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
权利要求书 20 页 说明书 34 页
(54)发明名称
钛合金成分定量设计方法(57)摘要
一种钛合金成分定量设计方法，从钛合金的实际相变过程出发，在电子结构层次上建立了不同热处理条件下钛合金的强化权重、强化系数的数学模型，然后以α-Ti、β-Ti的抗拉强度、伸长率值为基值，利用强化权重、强化系数计算不同热处理条件下的强度增量及伸长率的降低量，从而给出钛合金在不同热处理条件下的抗拉强度、伸长率的计算值；将计算公式编制成计算软件，在计算机上观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差在10％内，便可确定钛合金成分。本发明设计过程快速而经济，设计结果准确性高，为其它合金体系的成分设计提供借鉴价值。CN 101763450 ACN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
1/20页
1.一种钛合金成分定量设计方法，其特征在于：
1.1利用“固体与分子经验电子理论”计算钛合金中相结构单元及相界面电子结构参数nA′、σN、Δρ′、Δρmax、σ，并建立如表1～表8的数据库；
表1β相中相结构单元的电子结构参数(900℃)
相结构单元nA′相结构单元nA′
β-Tiβ-Ti-Alβ-Ti-Zrβ-Ti-Snβ-Ti-Moβ-Ti-Vβ-Ti-Nbβ-Ti-Feβ-Ti-Crβ-Ti-Mnβ-Ti-Hfβ-Ti-Coβ-Ti-Siβ-Ti-Cuβ-Ti-Niβ-Ti-W
0.286260.26400.30980.310220.323640.302130.320110.298700.290880.327380.307080.324580.292320.317890.343890.29826
β-Ti-Al*β-Ti-Zr-Alβ-Ti-Sn-Alβ-Ti-Mo-Alβ-Ti-V-Alβ-Ti-Nb-Alβ-Ti-Fe-Alβ-Ti-Cr-Alβ-Ti-Mn-Alβ-Ti-Hf-Alβ-Ti-Co-Alβ-Ti-Si-Alβ-Ti-Cu-Alβ-Ti-Ni-Alβ-Ti-W-Al
0.250940.288080.288770.303700.303510.296550.266550.269050.285780.284370.292950.266370.292980.311270.27736
注：“*”代表Al元素重量百分数大于或等于6％；下同。
表2β相中结构单元的电子结构参数(25℃)
2
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
nA′0.298890.273210.316050.322790.335440.307680.333260.30260.295560.331470.312380.328930.288590.323170.345030.30752
σN2134415415544695078417117545628
β-Ti-Al*β-Ti-Zr-Alβ-Ti-Sn-Alβ-Ti-Mo-Alβ-Ti-V-Alβ-Ti-Nb-Alβ-Ti-Fe-Alβ-Ti-Cr-Alβ-Ti-Mn-Alβ-Ti-Hf-Alβ-Ti-Co-Alβ-Ti-Si-Alβ-Ti-Cu-Alβ-Ti-Ni-Alβ-Ti-W-Al
0.247610.292090.297310.279040.310710.300500.273050.272360.293780.289140.303170.300840.273410.323780.28209
22361128309487587457551477380544690159698339
相结构单元
nA′
σN
2/20页
相结构单元β-Tiβ-Ti-Alβ-Ti-Zrβ-Ti-Snβ-Ti-Moβ-Ti-Vβ-Ti-Nbβ-Ti-Feβ-Ti-Crβ-Ti-Mnβ-Ti-Hfβ-Ti-Coβ-Ti-Siβ-Ti-Cuβ-Ti-Niβ-Ti-W
表3β-Ti-M/β-Ti相界面的电子结构参数(25℃)相界面
Δρ′
σ2688
相界面
β-Ti-Al/β-Ti*
Δρ′19.7
σ44722
β-Ti-Al/β-Ti9.56β-Ti-Zr/β-Ti5.56
β-Ti-Zr-Al/β-Ti6.08
3
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
Δρ′
σ306811092138100156821423410811256
相界面
Δρ′
σ25661898411749141102954760108831813801396678
3/20页
相界面
β-Ti-Sn/β-Ti7.79β-Ti-Mo/β-Ti6.06β-Ti-V/β-Ti3.49β-Ti-Nb/β-Ti8.54β-Ti-Fe/β-Ti4.81β-Ti-Cr/β-Ti2.61β-Ti-Mn/β-Ti10.2β-Ti-Hf/β-Ti4.47β-Ti-Co/β-Ti9.45β-Ti-Si/β-Ti5.17β-Ti-Cu/β-Ti7.67β-Ti-Ni/β-Ti14.3β-Ti-W/β-Ti4.17
β-Ti-Sn-Al/β-Ti6.98β-Ti-Mo-Al/β-Ti9.57β-Ti-V-Al/β-Ti6.90β-Ti-Nb-Al/β-Ti6.45β-Ti-Fe-Al/β-Ti9.74β-Ti-Cr-Al/β-Ti9.67β-Ti-Mn-Al/β-Ti5.79β-Ti-Hf-Al/β-Ti6.39β-Ti-Co-Al/β-Ti5.59β-Ti-Si-Al/β-Ti10.1β-Ti-Cu-Al/β-Ti6.11β-Ti-Ni-Al/β-Ti8.70β-Ti-W-Al/β-Ti8.41
表4β-Ti-Al(Al-M)/β-Ti-Al(Al-M)相界面的电子结构参数(25℃)
相界面
β-Ti-Al/β-Ti-Alβ-Ti-Zr/β-Ti-Zrβ-Ti-Sn/β-Ti-Snβ-Ti-Mo/β-Ti-Moβ-Ti-V/β-Ti-Vβ-Ti-Nb/β-Ti-Nb
Δρ′7.562.715.344.052.732.90
σ91990120102112751081
相界面
β-Ti-Al/β-Ti-Al*β-Ti-Zr-Al/β-Ti-Zr-Alβ-Ti-Sn-Al/β-Ti-Sn-Alβ-Ti-Mo-Al/β-Ti-Mo-Alβ-Ti-V-Al/β-Ti-V-Al
Δρ′15.917.619.6810.88.25
σ14365341826048403121278172578
β-Ti-Nb-Al/β-Ti-Nb-Al/8.08
4
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
Δρ′6.163.156.012.675.725.866.274.164.69
σ241512753081861255615314851596464
相界面
β-Ti-Fe-Al/β-Ti-Fe-Alβ-Ti-Cr-Al/β-Ti-Cr-Alβ-Ti-Mn-Al/β-Ti-Mn-Alβ-Ti-Hf-Al/β-Ti-Hf-Alβ-Ti-Co-Al/β-Ti-Co-Alβ-Ti-Si-Al/β-Ti-Si-Alβ-Ti-Cu-Al/β-Ti-Cu-Alβ-Ti-Ni-Al/β-Ti-Ni-Alβ-Ti-W-Al/β-Ti-W-Al
Δρ′8.088.347.707.807.6910.48.878.1810.1
σ
4/20页
相界面
β-Ti-Fe/β-Ti-Feβ-Ti-Cr/β-Ti-Crβ-Ti-Mn/β-Ti-Mnβ-Ti-Hf/β-Ti-Hfβ-Ti-Co/β-Ti-Coβ-Ti-Si/β-Ti-Siβ-Ti-Cu/β-Ti-Cuβ-Ti-Ni/β-Ti-Niβ-Ti-W/β-Ti-W
104653152076114003723901482401272323840224395858284
表5α相中相结构单元的电子结构参数(25℃)
相结构单元nA′σN相结构单元
α-Tiα-Ti-Alα-Ti-Zrα-Ti-Snα-Ti-Moα-Ti-Vα-Ti-Nbα-Ti-Feα-Ti-Crα-Ti-Mn
0.249020.236850.26310.267390.271840.273300.272930.254880.253080.26948
2143911334336403241
α-Ti-Zr-Alα-Ti-Sn-Alα-Ti-Mo-Alα-Ti-V-Alα-Ti-Nb-Alα-Ti-Fe-Alα-Ti-Cr-Alα-Ti-Mn-Alα-Ti-Hf-Al
nA′σN
0.250510.253180.2610.260250.26010.243490.24080.257190.24976
29288275298282330288357276
5
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
nA′0.260950.269390.251630.265760.279590.260190.74635
σN3448153537208
相结构单元α-Ti-Co-Alα-Ti-Si-Alα-Ti-Cu-Alα-Ti-Ni-Alα-Ti-W-Alα-Ti-Oα-Ti-C
nA′0.257890.235540.252610.266160.246230.620950.70486
σN321101318322161810
5/20页
相结构单元α-Ti-Hfα-Ti-Coα-Ti-Siα-Ti-Cuα-Ti-Niα-Ti-Wα-Ti-N
表6α-Ti-Al(Al-M)/α-Ti相界面的电子结构参数(25℃)相界面
Δρ′
σ2878224684728064866896
相界面
Δρ′
σ584176332588564660576606552642202
α-Ti-Al/α-Ti5.78α-Ti-Zr/α-Ti5.46α-Ti-Sn/α-Ti7.05α-Ti-Mo/α-Ti4.68α-Ti-V/α-Ti4.13α-Ti-Nb/α-Ti9.13α-Ti-Fe/α-Ti3.44α-Ti-Cr/α-Ti5.46α-Ti-Mn/α-Ti2.94α-Ti-Hf/α-Ti4.65α-Ti-Co/α-Ti7.80
α-Ti-Zr-Al/α-Ti3.97α-Ti-Sn-Al/α-Ti5.18α-Ti-Mo-Al/α-Ti5.59α-Ti-V-Al/α-Ti4.04α-Ti-Nb-Al/α-Ti5.34α-Ti-Fe-Al/α-Ti4.44α-Ti-Cr-Al/α-Ti13.0α-Ti-Mn-Al/α-Ti4.49α-Ti-Hf-Al/α-Ti3.94α-Ti-Co-Al/α-Ti5.16α-Ti-Si-Al/α-Ti7.03
6
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
Δρ′
σ3070744020
相界面
Δρ′
σ6366443221616
6/20页
相界面
α-Ti-Si/α-Ti4.25α-Ti-Cu/α-Ti6.45α-Ti-Ni/α-Ti11.5α-Ti-W/α-Ti5.19α-Ti-C/α-Ti27.8
α-Ti-Cu-Al/α-Ti4.13α-Ti-Ni-Al/α-Ti6.84α-Ti-W-Al/α-Ti4.83α-Ti-O/α-Tiα-Ti-N/α-Ti
36.829.0
表7α-Ti-Al(Al-M)/α-Ti-Al(Al-M)相界面的电子结构参数(25℃)
相界面
α-Ti-Al/α-Ti-Alα-Ti-Zr/α-Ti-Zrα-Ti-Sn/α-Ti-Snα-Ti-Mo/α-Ti-Moα-Ti-V/α-Ti-Vα-Ti-Nb/α-Ti-Nbα-Ti-Fe/α-Ti-Feα-Ti-Cr/α-Ti-Crα-Ti-Mn/α-Ti-Mnα-Ti-Hf/α-Ti-Hfα-Ti-Co/α-Ti-Coα-Ti-Si/α-Ti-Siα-Ti-Cu/α-Ti-Cuα-Ti-Ni/α-Ti-Niα-Ti-W/α-Ti-W
Δρ′Δρmaxσ5.462.993.734.233.232.813.692.032.542.633.944.953.833.203.76
13.97.8011.113.110.49.9812.17.698.308.2015.113.111.310.717.4
10578066703903666820528946595
相界面
Δρ′Δρmaxσ
17.223.621.620.920.923.317.417.417.124.424.523.219.626.5-4277839174485043365399035461541616460563822651681515450724520061340336
α-Ti-Zr-Al/α-Ti-Zr-Al5.34α-Ti-Sn-Al/α-Ti-Sn-Al6.74α-Ti-Mo-Al/α-Ti-Mo-Al6.31α-Ti-V-Al/α-Ti-V-Al
5.51
α-Ti-Nb-Al/α-Ti-Nb-Al5.55α-Ti-Fe-Al/α-Ti-Fe-Al5.70α-Ti-Cr-Al/α-Ti-Cr-Al5.06α-Ti-Mn-Al/α-Ti-Mn-Al5.57α-Ti-Hf-Al/α-Ti-Hf-Al5.27α-Ti-Co-Al/α-Ti-Co-Al6.19
1176α-Ti-Si-Al/α-Ti-Si-Al7.03120630703250
α-Ti-Cu-Al/α-Ti-Cu-Al5.85α-Ti-Ni-Al/α-Ti-Ni-Al5.40α-Ti-W-Al/α-Ti-W-Alα-Ti-O/α-Ti-O
6.424.21
7
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
Δρ′Δρmaxσ2.83
-36
相界面
α-Ti-C/α-Ti-C
7/20页
相界面
α-Ti-N/α-Ti-N
Δρ′Δρmaxσ2.05
-55
表8α-Ti-Al(Al-M)/β-Ti-Al(Al-M)相界面的电子结构参数(25℃)
相界面α-Ti/β-Ti
Δρ′Δρmaxσ9.21
10.722.616.922.929.119.522.323.415.126.017.326.619.525.625.729.1
41821716165782231015842760160031981394340825518902072560
α-Ti-Al/β-Ti-Al*
14.1
31.623.332.335.126.930.027.721.226.123.428.033.631.028.435.1
30812410010472441561396501370521488301791361535101098481646731999821910220189451198
相界面
Δρ′Δρmaxσ
α-Ti-Al/β-Ti-Al8.59α-Ti-Zr/β-Ti-Zr9.3α-Ti-Sn/β-Ti-Sn10.0α-Ti-Mo/β-Ti-Mo8.58α-Ti-V/β-Ti-V
8.15
α-Ti-Zr-Al/β-Ti-Zr-Al7.46α-Ti-Sn-Al/β-Ti-Sn-Al9.40α-Ti-Mo-Al/β-Ti-Mo-Al9.67α-Ti-V-Al/β-Ti-V-Al
7.58
α-Ti-Nb/β-Ti-Nb10.9α-Ti-Fe/β-Ti-Fe8.57α-Ti-Cr/β-Ti-Cr6.48α-Ti-Mn/β-Ti-Mn11.8α-Ti-Hf/β-Ti-Hf8.94α-Ti-Co/β-Ti-Co11.0α-Ti-Si/β-Ti-Si7.05α-Ti-Cu/β-Ti-Cu10.5α-Ti-Ni/β-Ti-Ni11.9α-Ti-W/β-Ti-W
8.31
α-Ti-Nb-Al/β-Ti-Nb-Al8.10α-Ti-Fe-Al/β-Ti-Fe-Al7.52α-Ti-Cr-Al/β-Ti-Cr-Al7.53α-Ti-Mn-Al/β-Ti-Mn-Al8.14α-Ti-Hf-Al/β-Ti-Hf-Al7.21α-Ti-Co-Al/β-Ti-Co-Al7.33α-Ti-Si-Al/β-Ti-Si-Al9.42α-Ti-Cu-Al/β-Ti-Cu-Al8.87α-Ti-Ni-Al/β-Ti-Ni-Al8.57α-Ti-W-Al/β-Ti-W-Al
9.28
1.2计算钛合金不同热处理条件下各相结构单元的强化权重和固溶强化系数及相界面的界面强化系数；
计算钛合金不同热处理条件下各相结构单元的强化权重时首先利用合金成分的原子百分数及表征原子键合力大小的相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′计算钛合金经β相区固溶处理+水淬后形成单一β相固溶体中各相结构单元的强化权重；
8
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
8/20页
利用钛合金中的β相条件稳定系数Kβ、相结构单元的强化权重；
利用钛合金中的β相条件稳定系数Kβ′、
及
计算从β相中析出初生α相中各计算从β相中析出次生α相中
各相结构单元的强化权重，
钛合金各相结构单元强化权重计算的数学模型：
β相中各相结构单元的强化权重：
上式中
其中Wβ-Ti-Al、Wβ-Ti-Al-M、Wβ-Ti-M为β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的强化权重；CAl为Al的原子百分数；CM为不包括Al元素在内的合金原子百分数；Z为合金元素种类数，i表示合金元素M的序号；
杂质元素形成的相结构单元的强化权重：
其中Wα-Ti-O、Wα-Ti-N、Wα-Ti-C为杂质元素O、N、C形成的α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元的固溶强化权重；C′O、C′N、C′C分别表示O、N、C的名义原子百分数，即已经减去碘化法钛中对应杂质的含量，碘化法钛中对应杂质含量取中限；
初生α相中各相结构单元的强化权重：
9
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
9/20页
其中Wpα-Ti-Al、Wpα-Ti-Al-M、Wpα-Ti-M为初生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的强化权重；Kβ表示钛合金中β相条件稳定系数，即
表示在某一固溶温度下β→α转变开始时合金β相
对应的KβMo值，KβMo为Ti-Mo二元合金中β相条件稳定系数，随固溶温度的升高逐渐减少，取值为0.3～2.3；表示在某一固溶温度下β→α转变终止时合金β相对应的取值为0.07；KβMo值，随固溶温度变化较小，
初生α相析出后β相中β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的强化权重Wpβ-Ti-Al、Wpβ-Ti-Al-M、Wpβ-Ti-M为
初生α相中α-Ti相结构单元的权重Wpα-Ti为
初生α相中Ti的原子分数CαpTi为
初生α相析出后且无次生α析出时，β相中Ti的原子分数CβTi为次生α相中各相结构单元的强化权重：
10
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
10/20页
其中Wsα-Ti-Al、Wsα-Ti-Al-M、Wsα-Ti-M为次生的α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的强化权重；Kβ′为初生α相析出后钛合金中β相条件稳定系数，将初生α析出后β相中合金元素的原子百分数转化为重量百分数，然后按Kβ计算公式计算即可；表示在某一时效温度下β→α转变开始时合金β相对应的KβMo值，随时效温度的升高逐渐减小，取值为0.5～2.8；表示在某一时效温度下β→α转变终止时合金β相对应的取值为0.07；KβMo值，随时效温度变化较小，
次生α相析出后β相中β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的强化权重Wsβ-Ti-Al、Wsβ-Ti-Al-M、Wsβ-Ti-M为
次生α相中α-Ti相结构单元的权重：
次生α相中Ti原子百分数CαsTi为
次生α相析出后β相中Ti原子百分数：
计算钛合金中相结构单元的固溶强化系数及相界面的界面强化系数时，首先利用表征原子间键合力大小的相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′表征β相、初生α相、次生α相中各相结构单元的固溶强化系数；用与界面应力相匹配的界面电子密度差Δρ′、Δρmax表征β相、初生α相、次生α相中各相界面的界面强化系数；
11
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
11/20页
钛合金中固溶强化系数及界面强化系数计算的数学模型：
β相中各相结构单元的固溶强化系数：
其中Sβ-Ti-Al、Sβ-Ti-Al-M、Sβ-Ti-M分别表示β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的固溶强化系数；nA′β-Ti-Al、nA′β-Ti-Al-M、nA′β-Ti-M、nA′β-Ti分别为β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M、β-Ti相结构单元最强键上的共用电子对数的统计平均值；
β相中异相界面的界面强化系数：
其中Sβ-Ti-Al/β-Ti、Sβ-Ti-Al-M/β-Ti、Sβ-Ti-M/β-Ti表示相界面β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti的界面强化系数；Δρ′β-Ti-Al/β-Ti、Δρ′β-Ti-Al-M/β-Ti、Δρ′β-Ti-M/β-Ti
分别为β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面的电子密度差的统计平均值；
β相中同相界面的界面强化系数：
其中Sβ-Ti-Al/β-Ti-Al、Sβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Sβ-Ti-M/β-Ti-M表示相界面β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M的界面强化系数；Δρ′β-Ti-Al/β-Ti-Al、Δρ′β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δρ′β-Ti-M/β-Ti-M分别为β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M相界面电子密度差的统计平均值；
初生α相、次生α相中相结构单元的固溶强化系数：
其中Sα-Ti-Al、Sα-Ti-Al-M、Sα-Ti-M分别表示初生α、次生α相中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M的固溶强化系数；nA′α-Ti-Al、nA′α-Ti-Al-M、nA′α-Ti-M、αA′α-Ti分别为α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M、α-Ti相结构单元最强键上的共用电子对数的统计平均值；
初生α相中异相界面的界面强化系数：
12
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
12/20页
其中Sα-Ti-Al/α-Ti、Sα-Ti-Al-M/α-Ti、Sα-Ti-M/α-Ti分别表示初生α相中相界面α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/α-Ti、Δρ′α-Ti-Al-M/α-Ti、Δρ′α-Ti-M/α-Ti表示α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面的界面电子密度差的统计平均值；
初生α相中同相界面的界面强化系数：
其中Sα-Ti-Al/α-Ti-Al、Sα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Sα-Ti-M/α-Ti-M分别表示初生α相中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/α-Ti-Al、Δρ′α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δρ′α-Ti-M/α-Ti-M表示α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面电子密度差的统计平均值；
初生α相与β相形成异相界面的界面强化系数：
其中Sα-Ti-Al/β-Ti-Al、Sα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Sα-Ti-M/β-Ti-M、Sα-Ti/β-Ti分别表示初生α相与β相形成异相界面α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/β-Ti-Al、Δρ′α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δρ′α-Ti-M/β-Ti-M、Δρ′α-Ti/β-Ti表示α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面电子密度差的统计平均值；
次生α相中同相界面的界面强化系数：
其中Ssα-Ti-Al/α-Ti-Al、Ssα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Ssα-Ti-M/α-Ti-M、Ssα-Ti/α-Ti分别表示次生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化系数；Δρmaxα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δρmaxα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δρmaxα-Ti-M/α-Ti-M分别为α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面电子密度差的最大值；
次生α相与母相β形成异相界面的界面强化系数：
13
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
13/20页
其中Ssα-Ti-Al/β-Ti-Al、Ssα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Ssα-Ti-M/β-Ti-M、Ssα-Ti/β-Ti分别表示次生α相与母相β形成异相界面的界面强化系数；Δρmaxα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δρmaxα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δρmaxα-Ti-M/β-Ti-M、Δρmaxα-Ti/β-Ti表示α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面电子密度差的最大值；
杂质元素形成相结构单元的固溶强化系数：
其中Sα-Ti-O、Sα-Ti-N、Sα-Ti-C分别表示杂质元素O、N、C在α相的固溶强化系数；nA′α-Ti-O、nA′α-Ti-N、nA′α-Ti-C为α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元最强共价键上共用电子对数的统计平均值。
杂质元素形成异相界面的界面强化系数：
其中Sα-Ti-O/α-Ti、Sα-Ti-N/α-Ti、Sα-Ti-C/α-Ti分别表示α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面的界面强化系数；Δρ′α-Ti-O/α-Ti、Δρ′α-Ti-N/α-Ti、Δρ′α-Ti-C/α-Ti
为α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面电子密度差的统计平均值；杂质元素形成同相界面的界面强化系数：
其中Sα-Ti-O/α-Ti-O、Sα-Ti-N/α-Ti-N、Sα-Ti-C/α-Ti-C分别表示α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/α-Ti-O、Δρ′α-Ti-N/α-Ti-N、Δρ′α-Ti-C/α-Ti-C为α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面电子密度差的统计平均值。
1.3计算钛合金抗拉强度，以基体α-Ti、β-Ti的强度为基值，利用强化系数、强化权重计算不同热处理条件下的钛合金抗拉强度增量，将计算出的钛合金抗拉强度增量求和，得出钛合金抗拉强度值，
钛合金抗拉强度计算的数学模型：
β相中各相结构单元的固溶强化强度增量：
14
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
14/20页
其中Δσbβ-Ti-Al、Δσbβ-Ti-Al-M、Δσbβ-Ti-M表示时目固溶体中β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的固溶强化强度增量；σbβ-Ti为基体β-Ti的抗拉强度值，
β相中异相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbβ-Ti-Al/β-Ti、Δσbβ-Ti-Al-M/β-Ti、Δσbβ-Ti-M/β-Ti表示β相固溶体中β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面的强化强度增量；
β相中同相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbβ-Ti-Al/β-Ti-Al、Δσbβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δσbβ-Ti-M/β-Ti-M表示β相固溶体中β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M同相界面的强化强度增量。
初生α相中各相结构单元的固溶强化强度增量：
其中Δσbpα-Ti-Al、Δσbpα-Ti-Al-M、Δσbpα-Ti-M表示初生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化强度增量；σbα-Ti为基体α-Ti的抗拉强度值，
初生α相中异相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbpα-Ti-Al/α-Ti、Δσbpα-Ti-Al-M/α-Ti、Δσbpα-Ti-M/α-Ti表示初生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面强化强度增量；
初生α中同相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbpα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δσbpα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δσbpα-Ti-M/α-Ti-M表示初生α相固溶体
15
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
15/20页
中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化强度增量。
初生α相与β相形成的异相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbpα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δσbpα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δσbpα-Ti-M/β-Ti-M、Δσbpα-Ti/β-Ti表示初生α相与β相形成的α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面强化强度增量；
次生α相中各相结构单元的固溶强化强度增量：
其中Δσbsα-Ti-Al、Δσbsα-Ti-Al-M、Δσbsα-Ti-M表示次生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化强度增量；
次生α相中同相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbsα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δσbsα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δσbsα-Ti-M/α-Ti-M表示次生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化强度增量；
次生α相与母相β形成异相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbsα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δσbsα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δσbsα-Ti-M/β-Ti-M、Δσbsα-Ti/β-Ti表示次生α相固溶体与母相β固溶体形成的α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M相界面的界面强化强度增量；
杂质元素形成的各相结构单元的固溶强化强度增量：
其中Δσbα-Ti-O、Δσbα-Ti-N、Δσbα-Ti-C表示杂质元素O、N、C在α相固溶体中形成α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元的固溶强化强度增量；
16
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
16/20页
杂质元素形成的异相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbα-Ti-O/α-Ti、Δσbα-Ti-N/α-Ti、Δσbα-Ti-C/α-Ti表示杂质元素O、N、C在α相固溶体中形成α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相结构单元的固溶强化强度增量；
杂质元素形成的同相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbα-Ti-O/α-Ti-O、Δσbα-Ti-N/α-Ti-N、Δσbα-Ti-C/α-Ti-C表示杂质元素O、N、C在α相固溶体中形成α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面的强化强度增量；
钛合金抗拉强度的计算公式：
1.4.计算钛合金伸长率，以α-Ti、β-Ti的伸长率为基值，利用强化系数、强化权重计算不同热处理条件下的钛合金伸长率降低量，将计算出的钛合金伸长率降低量求和，得出钛合金伸长率，
钛合金伸长率计算的数学模型：
β相中各相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
17
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
17/20页
其中Δδβ-Ti-Al、Δδβ-Ti-Al-M、Δδβ-Ti-M表示β相固溶体中β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的固溶强化伸长率降低量；σNβ-Ti-Al、σNβ-Ti-Al-M、σNβ-Ti-M为β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元中可能存在的原子状态组数；δβ-Ti为基体β-Ti的伸长率值，δβ-Ti＝75％；
β相中异相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδβ-Ti-Al/β-Ti、Δδβ-Ti-Al-M/β-Ti、Δδβ-Ti-M/β-Ti表示β相固溶体中β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；σβ-Ti-Al/β-Ti、σβ-Ti-Al-M/β-Ti、σβ-Ti-M/β-Ti为β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面中可能存在的原子状态组数；
β相中同相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδβ-Ti-Al/β-Ti-Al、Δδβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δδβ-Ti-M/β-Ti-M表示β相固溶体中β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；σβ-Ti-Al/β-Ti-Al、σβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、σβ-Ti-M/β-Ti-M为β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M相界面中可能存在的原子状态组数；
初生α相中各相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
其中Δδpα-Ti-Al、Δδpα-Ti-Al-M、Δδpα-Ti-M表示初生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化伸长率降低量；σNα-Ti-Al、σNα-Ti-Al-M、σNα-Ti-M为α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元中可能存在的原子状态组数； δα-Ti为基体α-Ti的伸长率值，δα-Ti＝49％；
18
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
18/20页
初生α相中异相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδpα-Ti-Al/α-Ti、Δδpα-Ti-Al-M/α-Ti、Δδpα-Ti-M/α-Ti表示初生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti-Al/α-Ti、σα-Ti-Al-M/α-Ti、σα-Ti-M/α-Ti为α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面中可能存在的原子状态组数；
初生α相中同相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδpα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δδpα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δδpα-Ti-M/α-Ti-M表示初生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti-Al/α-Ti-Al、 σα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、σα-Ti-M/α-Ti-M为α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面中可能存在的原子状态组数；
初生α相与β相形成异相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδpα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δδpα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δδpα-Ti-M/β-Ti-M、Δδpα-Ti/β-Ti表示初生α相与β相形成α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti-Al/β-Ti-Al、σα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、σα-Ti-M/β-Ti-M、σα-Ti/β-Ti为α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面中可能存在的原子状态组数；
次生α相中各相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
19
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
19/20页
其中Δδsα-Ti-Al、Δδsα-Ti-Al-M、Δδsα-Ti-M表示次生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化伸长率降低量；当有初生α析出时δmatrix＝δα-Ti，否则δmatrix＝δβ-Ti；
次生α相中同相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδsα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δδsα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δδsα-Ti-M/α-Ti-M表示次生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；
次生α相与β相形成异相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδsα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δδsα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δδsα-Ti-M/β-Ti-M、Δδsα-Ti/β-Ti表示次生α相与β相形成α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti/β-Ti为α-Ti/β-Ti相界面可能存在的原子状态组数；
杂质元素形成相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
其中Δδα-Ti-O、Δδα-Ti-N、Δδα-Ti-C为α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C结构单元的固溶强化伸长率降低量；
杂质元素形成异相界面的界面强化伸长率降低量：
20
CN 101763450 ACN 101763452 A
权 利 要 求 书
20/20页
其中Δδα-Ti-O/α-Ti、Δδα-Ti-N/α-Ti、Δδα-Ti-C/α-Ti为α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；
杂质元素形成同相界面的界面强化伸长率降低量：
其中Δδα-Ti-O/α-Ti、Δδα-Ti-N/α-Ti、δα-Ti-C/α-Ti为α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面的界面强化伸长率降低量；
钛合金伸长率计算公式：
将上述计算公式(1)～公式(52)编制成计算软件，在计算机上输入试选的合金成分及相应的热处理工艺后执行计算，通过观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差在10％内，这样便可确定经β相区固溶处理+水淬、α+β相区固溶处理+水淬及固溶处理+时效条件下钛合金的化学成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在计算机上可进行五～十次调整合金化学成分，并取设计合金的抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差的最小值所对应的合金成分作为设计合金最优化的化学成分。
21
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
钛合金成分定量设计方法
1/34页
技术领域
[0001]
本发明涉及钛合金成分定量设计方法，具体地说，涉及从化学成分出发、利用合金的电子结构参数、结合钛合金相变对钛合金成分进行优化设计方法。
背景技术
[0002] 钛合金因具有强度高、耐腐蚀、无磁性、可焊性等优异性能，在航空航天、化工、舰船等行业得到广泛应用。如今，国际上钛合金的牌号已超过70多种，但这些合金成分几乎全是经验或“炒菜法”设计的。目前，应用于钛合金领域的合金设计方法主要有d-电子理论设计法和基于模糊逻辑、神经网络技术及专家数据库等合金设计方法。对于多元钛合金系统，经常涉及到复杂的多种合金成分的相互作用并表现出复杂的多相显微组织结构，使得d-电子理论设计法很难定量确定合金的性能—显微结构—成分之间的关系。而模糊逻辑、神经网络技术及专家数据库模拟精度高，但物理意义不明确，很难深入到微观本质。尽管有人曾利用合金价电子结构计算TiAl-Nb合金的屈服强度，但是因未充分考虑钛合金的实际相变过程，理论计算与实际情况偏差较大，还不能进行TiAl-Nb系合金成分的定量设计，更谈不上进行多元钛合金体系的成分定量设计。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种钛合金成分定量设计方法，该方法操作及计算简便，设计结果准确度高。
[0004] 本发明提供的技术方案是：[0005] 一种钛合金成分定量设计方法，其特殊之处是：[0006] 1.1利用“固体与分子经验电子理论”计算钛合金中相结构单元及相界面电子结构参数nA′、σN、Δρ′、Δρmax、σ，并建立如表1～表8的数据库；[0007] 表1β相中相结构单元的电子结构参数(900℃)
[0008]
相结构单元β-Tiβ-Ti-Alβ-Ti-Zrβ-Ti-Snβ-Ti-Mo
nA′0.286260.26400.30980.310220.32364
相结构单元
nA′
β-Ti-Al*β-Ti-Zr-Alβ-Ti-Sn-Alβ-Ti-Mo-Al
0.250940.288080.288770.30370
22
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
相结构单元β-Ti-Vβ-Ti-Nbβ-Ti-Feβ-Ti-Crβ-Ti-Mnβ-Ti-Hfβ-Ti-Coβ-Ti-Siβ-Ti-Cuβ-Ti-Niβ-Ti-W
nA′0.302130.320110.298700.290880.327380.307080.324580.292320.317890.343890.29826
相结构单元β-Ti-V-Alβ-Ti-Nb-Alβ-Ti-Fe-Alβ-Ti-Cr-Alβ-Ti-Mn-Alβ-Ti-Hf-Alβ-Ti-Co-Alβ-Ti-Si-Alβ-Ti-Cu-Alβ-Ti-Ni-Alβ-Ti-W-Al
nA′0.303510.296550.266550.269050.285780.284370.292950.266370.292980.311270.27736
2/34页
注：“*”代表Al元素重量百分数大于或等于6％；下同。[0010] 表2β相中结构单元的电子结构参数(25℃)
[0009] [0011]
相结构单元β-Tiβ-Ti-Alβ-Ti-Zrβ-Ti-Snβ-Ti-Moβ-Ti-V
nA′0.298890.273210.316050.322790.335440.30768
σN21344154155
相结构单元
nA′σN
β-Ti-Al*β-Ti-Zr-Alβ-Ti-Sn-Alβ-Ti-Mo-Alβ-Ti-V-Al
0.247610.292090.297310.279040.31071
22361128309487
23
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
nA′0.333260.30260.295560.331470.312380.328930.288590.323170.345030.30752
σN44695078417117545628
相结构单元β-Ti-Nb-Alβ-Ti-Fe-Alβ-Ti-Cr-Alβ-Ti-Mn-Alβ-Ti-Hf-Alβ-Ti-Co-Alβ-Ti-Si-Alβ-Ti-Cu-Alβ-Ti-Ni-Alβ-Ti-W-Al
nA′0.300500.273050.272360.293780.289140.303170.300840.273410.323780.28209
σN587457551477380544690159698339
3/34页
相结构单元β-Ti-Nbβ-Ti-Feβ-Ti-Crβ-Ti-Mnβ-Ti-Hfβ-Ti-Coβ-Ti-Siβ-Ti-Cuβ-Ti-Niβ-Ti-W
[0012] [0013] [0014]
表3β-Ti-M/β-Ti相界面的电子结构参数(25℃)
Δρ′
σ2688306811092138
相界面
β-Ti-Al/β-Ti*
Δρ′19.7
σ447222566189841174914
相界面
β-Ti-Al/β-Ti9.56β-Ti-Zr/β-Ti5.56β-Ti-Sn/β-Ti7.79β-Ti-Mo/β-Ti6.06β-Ti-V/β-Ti3.49β-Ti-Nb/β-Ti8.54β-Ti-Fe/β-Ti4.81
β-Ti-Zr-Al/β-Ti6.08β-Ti-Sn-Al/β-Ti6.98β-Ti-Mo-Al/β-Ti9.57β-Ti-V-Al/β-Ti6.90β-Ti-Nb-Al/β-Ti6.45β-Ti-Fe-Al/β-Ti9.74
24
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
Δρ′
σ100156821423410811256
相界面
Δρ′
σ1102954760108831813801396678
4/34页
相界面
β-Ti-Cr/β-Ti2.61β-Ti-Mn/β-Ti10.2β-Ti-Hf/β-Ti4.47β-Ti-Co/β-Ti9.45β-Ti-Si/β-Ti5.17β-Ti-Cu/β-Ti7.67β-Ti-Ni/β-Ti14.3β-Ti-W/β-Ti4.17
[0015] [0016]
β-Ti-Cr-Al/β-Ti9.67β-Ti-Mn-Al/β-Ti5.79β-Ti-Hf-Al/β-Ti6.39β-Ti-Co-Al/β-Ti5.59β-Ti-Si-Al/β-Ti10.1β-Ti-Cu-Al/β-Ti6.11β-Ti-Ni-Al/β-Ti8.70β-Ti-W-Al/β-Ti8.41
表4β-Ti-Al(Al-M)/β-Ti-Al(Al-M)相界面的电子结构参数(25℃)
Δρ′7.562.715.344.052.732.906.163.156.012.675.72
σ919901201021127510812415127530818612556
相界面
β-Ti-Al/β-Ti-Al*β-Ti-Zr-Al/β-Ti-Zr-Alβ-Ti-Sn-Al/β-Ti-Sn-Alβ-Ti-Mo-Al/β-Ti-Mo-Alβ-Ti-V-Al/β-Ti-V-Alβ-Ti-Nb-Al/β-Ti-Nb-Al/β-Ti-Fe-Al/β-Ti-Fe-Alβ-Ti-Cr-Al/β-Ti-Cr-Alβ-Ti-Mn-Al/β-Ti-Mn-Alβ-Ti-Hf-Al/β-Ti-Hf-Alβ-Ti-Co-Al/β-Ti-Co-Al
Δρ′15.917.619.6810.88.258.088.088.347.707.807.69
σ1436534182604840312127817257810465315207611400372390148240
相界面
β-Ti-Al/β-Ti-Alβ-Ti-Zr/β-Ti-Zrβ-Ti-Sn/β-Ti-Snβ-Ti-Mo/β-Ti-Moβ-Ti-V/β-Ti-Vβ-Ti-Nb/β-Ti-Nbβ-Ti-Fe/β-Ti-Feβ-Ti-Cr/β-Ti-Crβ-Ti-Mn/β-Ti-Mnβ-Ti-Hf/β-Ti-Hfβ-Ti-Co/β-Ti-Co
25
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
Δρ′5.866.274.164.69
σ15314851596464
相界面
β-Ti-Si-Al/β-Ti-Si-Alβ-Ti-Cu-Al/β-Ti-Cu-Alβ-Ti-Ni-Al/β-Ti-Ni-Alβ-Ti-W-Al/β-Ti-W-Al
Δρ′10.48.878.1810.1
σ
5/34页
相界面
β-Ti-Si/β-Ti-Siβ-Ti-Cu/β-Ti-Cuβ-Ti-Ni/β-Ti-Niβ-Ti-W/-Ti-W
[0017] [0018] [0019]
1272323840224395858284
表5α相中相结构单元的电子结构参数(25℃)相结构单元α-Tiα-Ti-Alα-Ti-Zrα-Ti-Snα-Ti-Moα-Ti-Vα-Ti-Nbα-Ti-Feα-Ti-Crα-Ti-Mnα-Ti-Hfα-Ti-Coα-Ti-Siα-Ti-Cu
nA′0.249020.236850.26310.267390.271840.273300.272930.254880.253080.269480.260950.269390.251630.26576
σN214391133433640324134481535
α-Ti-Zr-Alα-Ti-Sn-Alα-Ti-Mo-Alα-Ti-V-Alα-Ti-Nb-Alα-Ti-Fe-Alα-Ti-Cr-Alα-Ti-Mn-Alα-Ti-Hf-Alα-Ti-Co-Alα-Ti-Si-Alα-Ti-Cu-Alα-Ti-Ni-Al
0.250510.253180.2610.260250.26010.243490.24080.257190.249760.257890.235540.252610.26616
29288275298282330288357276321101318322
相结构单元
nA′
σN
26
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
nA′0.279590.260190.74635
σN37208
相结构单元α-Ti-W-Alα-Ti-Oα-Ti-C
nA′0.246230.620950.70486
σN161810
6/34页
相结构单元α-Ti-Niα-Ti-Wα-Ti-N
[0020] [0021]
表6 α-Ti-Al(Al-M)/α-Ti相界面的电子结构参数(25℃)
Δρ′
σ287822468472806486689630707440
相界面
α-Ti-Zr-Al/α-Tiα-Ti-Sn-Al/α-Tiα-Ti-Mo-Al/α-Tiα-Ti-V-Al/α-Tiα-Ti-Nb-Al/α-Tiα-Ti-Fe-Al/α-Tiα-Ti-Cr-Al/α-Tiα-Ti-Mn-Al/α-Tiα-Ti-Hf-Al/α-Tiα-Ti-Co-Al/α-Tiα-Ti-Si-Al/α-Tiα-Ti-Cu-Al/α-Tiα-Ti-Ni-Al/α-Tiα-Ti-W-Al/α-Tiα-Ti-O/α-Ti
Δρ′3.975.185.594.045.344.4413.04.493.945.167.034.136.844.8336.8
σ58417633258856466057660655264220263664432216
相界面
α-Ti-Al/α-Ti5.78α-Ti-Zr/α-Ti5.46α-Ti-Sn/α-Ti7.05α-Ti-Mo/α-Ti4.68α-Ti-V/α-Ti4.13α-Ti-Nb/α-Ti9.13α-Ti-Fe/α-Ti3.44α-Ti-Cr/α-Ti5.46α-Ti-Mn/α-Ti2.94α-Ti-Hf/α-Ti4.65α-Ti-Co/α-Ti7.80α-Ti-Si/α-Ti4.25α-Ti-Cu/α-Ti6.45α-Ti-Ni/α-Ti11.5α-Ti-W/α-Ti5.19
27
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
Δρ′
σ20
相界面α-Ti-N/α-Ti
Δρ′29.0
σ16
7/34页
相界面
α-Ti-C/α-Ti27.8
[0022] [0023] [0024]
表7α-Ti-Al(Al-M)/α-Ti-Al(Al-M)相界面的电子结构参数(25℃)
28
相界面5.462.993.734.233.232.813.6982052894659511761206302.032.542.633.944.953.8311.313.115.18.208.307.6912.1α-Ti-Cr-Al/α-Ti-Cr-Alα-Ti-Mn-Al/α-Ti-Mn-Alα-Ti-Hf-Al/α-Ti-Hf-Alα-Ti-Co-Al/α-Ti-Co-Alα-Ti-Si-Al/α-Ti-Si-Alα-Ti-Cu-Al/α-Ti-Cu-Alα-Ti-Ni-Al/α-Ti-Ni-Al9.98666α-Ti-Fe-Al/α-Ti-Fe-Al10.4903α-Ti-Nb-Al/α-Ti-Nb-Al5.555.705.065.575.276.197.035.855.4013.1703α-Ti-V-Al/α-Ti-V-Al5.5111.166α-Ti-Mo-Al/α-Ti-Mo-Al6.3121.620.920.923.317.417.417.124.424.523.219.67.80780α-Ti-Sn-Al/α-Ti-Sn-Al6.7423.613.9105α-Ti-Zr-Al/α-Ti-Zr-Al5.3417.2427783917448504336539903546154161646056382265168151545072452006Δρ′Δρmaxσ相界面Δρ′ΔρmaxσCN 101763450 ACN 101763452 A
α-Ti-Al/α-Ti-Alα-Ti-Zr/α-Ti-Zrα-Ti-Sn/α-Ti-Snα-Ti-Mo/α-Ti-Moα-Ti-V/α-Ti-Vα-Ti-Nb/α-Ti-Nb说 明 书
29
α-Ti-Fe/α-Ti-Feα-Ti-Cr/α-Ti-Crα-Ti-Mn/α-Ti-Mnα-Ti-Hf/α-Ti-Hfα-Ti-Co/α-Ti-Coα-Ti-Si/α-Ti-Siα-Ti-Cu/α-Ti-Cu8/34页
[0026]
[0025]
CN 101763450 ACN 101763452 A
相界面3.203.762.83—36α-Ti-C/α-Ti-C17.4250α-Ti-O/α-Ti-O10.7703α-Ti-W-Al/α-Ti-W-AlΔρ′Δρmaxσ相界面Δρ′6.424.212.05Δρmax26.5——σ134033655α-Ti-Ni/α-Ti-Ni说 明 书
表8α-Ti-Al(Al-M)/β-Ti-Al(Al-M)相界面的电子结构参数(25℃)
30
α-Ti-W/α-Ti-Wα-Ti-N/α-Ti-N9/34页
相界面9.218.599.310.08.588.1510.98.576.4811.88.9411.07.0519.526.6340825517.3139426.0319815.1160023.4276022.31584α-Ti-Nb-Al/β-Ti-Nb-Alα-Ti-Fe-Al/β-Ti-Fe-Alα-Ti-Cr-Al/β-Ti-Cr-Alα-Ti-Mn-Al/β-Ti-Mn-Alα-Ti-Hf-Al/β-Ti-Hf-Alα-Ti-Co-Al/β-Ti-Co-Alα-Ti-Si-Al/β-Ti-Si-Al19.52310α-Ti-V-Al/β-Ti-V-Al29.1782α-Ti-Mo-Al/β-Ti-Mo-Al9.677.588.107.527.538.147.217.339.4222.9165α-Ti-Sn-Al/β-Ti-Sn-Al9.4016.91716α-Ti-Zr-Al/β-Ti-Zr-Al7.4623.332.335.126.930.027.721.226.123.428.033.622.6182α-Ti-Al/β-Ti-Al*14.131.6308124100104724415613965013705214883017913615351010984816467310.74Δρ′Δρmaxσ相界面Δρ′ΔρmaxσCN 101763450 ACN 101763452 A
α-Ti/β-Tiα-Ti-Al/β-Ti-Alα-Ti-Zr/β-Ti-Zrα-Ti-Sn/β-Ti-Snα-Ti-Mo/β-Ti-Moα-Ti-V/β-Ti-V说 明 书
31
α-Ti-Nb/β-Ti-Nbα-Ti-Fe/β-Ti-Feα-Ti-Cr/β-Ti-Crα-Ti-Mn/β-Ti-Mnα-Ti-Hf/β-Ti-Hfα-Ti-Co/β-Ti-Co10/34页
α-Ti-Si/β-Ti-Si19998[0028]
[0027]
CN 101763450 ACN 101763452 A
相界面10.511.98.3129.156025.72072α-Ti-Ni-Al/β-Ti-Ni-Alα-Ti-W-Al/β-Ti-W-Al25.61890α-Ti-Cu-Al/β-Ti-Cu-AlΔρ′Δρmaxσ相界面Δρ′8.878.579.28Δρmax31.028.435.1σ21910220189451198α-Ti-Cu/β-Ti-Cu说 明 书
1.2计算钛合金不同热处理条件下各相结构单元的强化权重和固溶强化系数及相界面的界面强化系数；
32
α-Ti-Ni/β-Ti-Niα-Ti-W/β-Ti-W11/34页
CN 101763450 ACN 101763452 A[0029]
说 明 书
12/34页
计算钛合金不同热处理条件下各相结构单元的强化权重时首先利用合金成分的原子百分数及表征原子键合力大小的相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′计算钛合金经β相区固溶处理+水淬后形成单一β相固溶体中各相结构单元的强化权重；
[0030]
利用钛合金中的β相条件稳定系数Kβ、利用钛合金中的β相条件稳定系数Kβ′、及
计算从β相中析出初生α相中计算从β相中析出次生α相
各相结构单元的强化权重；
[0031]
中各相结构单元的强化权重，钛合金各相结构单元强化权重计算的数学模型：[0032] β相中各相结构单元的强化权重：
[0033]
[0034] 上式中
[0035]
其中Wβ-Ti-Al、Wβ-Ti-Al-M、Wβ-Ti-M为β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的强
化权重；CAl为Al的原子百分数；CM为不包括Al元素在内的合金原子百分数；Z为合金元素种类数，i表示合金元素M的序号；
[0037] 杂质元素形成的相结构单元的强化权重：
[0036] [0038]
[0039]
其中Wα-Ti-O、Wα-Ti-N、Wα-Ti-C为杂质元素O、N、C形成的α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C
33
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
13/34页
相结构单元的固溶强化权重；C′O、C′N、C′C分别表示O、N、C的名义原子百分数，即已经减去碘化法钛中对应杂质的含量，碘化法钛中对应杂质含量取中限；[0040] 初生α相中各相结构单元的强化权重：
[0041]
[0042]
其中Wpα-Ti-Al、Wpα-Ti-Al-M、Wpα-Ti-M为初生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、
α-Ti-M相结构单元的强化权重；Kβ表示钛合金中β相条件稳定系数，即
表示在某一固溶温度下β→α转变开始时合金
[0043]
β相对应的KβMo值，KβMo为Ti-Mo二元合金中β相条件稳定系数，随固溶温
度的升高逐渐减少，取值为0.3～2.3；表示在某一固溶温度下β→α转变终止时合金β相对应的KβMo值，随固溶温度变化较小，取值为0.07；
[0044] [0045]
初生α相析出后β相中β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的强化权重Wpβ-Ti-Al、Wpβ-Ti-Al-M、Wpβ-Ti-M为
[0046] [0047]
初生α相中α-Ti相结构单元的权重Wpα-Ti为
[0048] [0049]
初生α相中Ti的原子分数CαpTi为
34
CN 101763450 ACN 101763452 A[0050] [0051] [0052] [0053]
说 明 书
14/34页
初生α相析出后且无次生α析出时，β相中Ti的原子分数CβTi为次生α相中各相结构单元的强化权重：
[0054]
其中Wsα-Ti-Al、Wsα-Ti-Al-M、Wsα-Ti-M为次生的α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的强化权重；Kβ′为初生α相析出后钛合金中β相条件稳定系数，将初生α析出后
β相中合金元素的原子百分数转化为重量百分数，然后按Kβ计算公式计算即可；表示在某一时效温度下β→α转变开始时合金β相对应的KβMo值，随时效温度的升高逐渐减小，取值为0.5～2.8；表示在某一时效温度下β→α转变终止时合金β相对应的KβMo值，随时效温度变化较小，取值为0.07；
[0055] [0056]
次生α相析出后β相中β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的强化权重Wsβ-Ti-Al、Wsβ-Ti-Al-M、Wsβ-Ti-M为
[0057] [0058]
次生α相中α-Ti相结构单元的权重：
[0059] [0060]
次生α相中Ti原子百分数CαsTi为
35
CN 101763450 ACN 101763452 A[0061] [0062]
说 明 书
15/34页
次生α相析出后β相中Ti原子百分数：
计算钛合金中相结构单元的固溶强化系数及相界面的界面强化系数时，首先利用表征原子间键合力大小的相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′表征β相、初生α相、次生α相中各相结构单元的固溶强化系数；用与界面应力相匹配的界面电子密度差Δρ′、Δρmax表征β相、初生α相、次生α相中各相界面的界面强化系数；[0064] 钛合金中固溶强化系数及界面强化系数计算的数学模型：[0065] β相中各相结构单元的固溶强化系数：
[0063] [0066]
其中Sβ-Ti-Al、Sβ-Ti-Al-M、Sβ-Ti-M分别表示β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结
构单元的固溶强化系数；nA′β-Ti-Al、nA′β-Ti-Al-M、nA′β-Ti-M、nA′β-Ti分别为β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M、β-Ti相结构单元最强键上的共用电子对数的统计平均值；[0068] β相中异相界面的界面强化系数：
[0067] [0069]
其中Sβ-Ti-Al/β-Ti、Sβ-Ti-Al-M/β-Ti、Sβ-Ti-M/β-Ti表示相界面β-Ti-Al/β-Ti、
β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti的界面强化系数；Δρ′β-Ti-Al/β-Ti、Δρ′β-Ti-Al-M/β-Ti
、Δρ′β-Ti-M/β-Ti分别为β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面的电子密度差的统计平均值；
[0071] β相中同相界面的界面强化系数：
[0070] [0072]
其中Sβ-Ti-Al/β-Ti-Al、Sβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Sβ-Ti-M/β-Ti-M表示相界面β-Ti-Al/
β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M的界面强化系数；Δρ′β-Ti-Al/β-Ti-Al
、Δρ′β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δρ′β-Ti-M/β-Ti-M分别为β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M相界面电子密度差的统计平均值；[0074] 初生α相、次生α相中相结构单元的固溶强化系数：
[0073] [0075]
36
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
16/34页
其中Sα-Ti-Al、Sα-Ti-Al-M、Sα-Ti-M分别表示初生α、次生α相中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M的固溶强化系数；nA′α-Ti-Al、nA′α-Ti-Al-M、nA′α-Ti-M、nA′α-Ti分别为α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M、α-Ti相结构单元最强键上的共用电子对数的统计平均值；
[0077] 初生α相中异相界面的界面强化系数：
[0076] [0078]
其中Sα-Ti-Al/α-Ti、Sα-Ti-Al-M/α-Ti、Sα-Ti-M/α-Ti分别表示初生α相中相界面
α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/α-Ti、Δρ′α-Ti-Al-M/α-Ti、Δρ′α-Ti-M/α-Ti表示α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面的界面电子密度差的统计平均值；[0080] 初生α相中同相界面的界面强化系数：
[0079] [0081]
其中Sα-Ti-Al/α-Ti-Al、Sα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Sα-Ti-M/α-Ti-M分别表示初生α相中
α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/α-Ti-Al、Δρ′α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δρ′α-Ti-M/α-Ti-M表示α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面电子密度差的统计平均值；[0083] 初生α相与β相形成异相界面的界面强化系数：
[0082] [0084]
其中Sα-Ti-Al/β-Ti-Al、Sα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Sα-Ti-M/β-Ti-M、Sα-Ti/β-Ti分别表示初生α相
与β相形成异相界面α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、
Δρ′α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δρ′α-Ti-M/α-Ti/β-Ti的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/β-Ti-Al、
β-Ti-M
、Δρ′α-Ti/β-Ti表示α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/
[0085]
37
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
17/34页
β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面电子密度差的统计平均值；[0086] 次生α相中同相界面的界面强化系数：
[0087]
其中Ssα-Ti-Al/α-Ti-Al、Ssα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Ssα-Ti-M/α-Ti-M、Ssα-Ti/α-Ti分别表示次生α相
固溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化系数；Δρmaxα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δρmaxα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δρmaxα-Ti-M/α-Ti-M分别为α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面电子密度差的最大值；
[0089] 次生α相与母相β形成异相界面的界面强化系数：
[0088] [0090]
其中Ssα-Ti-Al/β-Ti-Al、Ssα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Ssα-Ti-M/β-Ti-M、Ssα-Ti/β-Ti分别表示次生α
相与母相β形成异相界面的界面强化系数；Δρmaxα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δρmaxα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δρmaxα-Ti-M/β-Ti-M、Δρmaxα-Ti/β-Ti表示α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面电子密度差的最大值；[0092] 杂质元素形成相结构单元的固溶强化系数：
[0091] [0093]
其中Sα-Ti-O、Sα-Ti-N、Sα-Ti-C分别表示杂质元素O、N、C在α相的固溶强化系数；
nA′α-Ti-O、nA′α-Ti-N、nA′α-Ti-C为α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元最强共价键上共用电子对数的统计平均值。
[0095] 杂质元素形成异相界面的界面强化系数：
[0094] [0096]
[0097]
其中Sα-Ti-O/α-Ti、Sα-Ti-N/α-Ti、Sα-Ti-C/α-Ti分别表示α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、
38
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
18/34页
α-Ti-C/α-Ti相界面的界面强化系数；Δρ′α-Ti-O/α-Ti、Δρ′α-Ti-N/α-Ti、Δρ′α-Ti-C/α-Ti
为α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面电子密度差的统计平均值；[0098] 杂质元素形成同相界面的界面强化系数：
[0099]
其中Sα-Ti-O/α-Ti-O、Sα-Ti-N/α-Ti-N、Sα-Ti-C/α-Ti-C分别表示α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/
α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面的界面强化系数；Δρ′α-Ti-Al/α-Ti-O、Δρ′α-Ti-N/α-Ti-N、Δρ′α-Ti-C/α-Ti-C为α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面电子密度差的统计平均值。
[0101] 1.3计算钛合金抗拉强度，以基体α-Ti、β-Ti的强度为基值，利用强化系数、强化权重计算不同热处理条件下的钛合金抗拉强度增量，将计算出的钛合金抗拉强度增量求和，得出钛合金抗拉强度值，
[0102] 钛合金抗拉强度计算的数学模型：
[0103] β相中各相结构单元的固溶强化强度增量：
[0100] [0104]
[0105]
其中Δσbβ-Ti-Al、Δσbβ-Ti-Al-M、Δσbβ-Ti-M表示β相固溶体中β-Ti-Al、
β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的固溶强化强度增量；σbβ-Ti为基体β-Ti的抗拉强度值，
β相中异相界面的界面强化强度增量：
[0106] [0107]
其中Δσbβ-Ti-Al/-Ti、Δσbβ-Ti-Al-M/β-Ti、Δσbβ-Ti-M/β-Ti表示β相固溶体中β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面的强化强度增量；[0109] β相中同相界面的界面强化强度增量：
[0108] [0110]
[0111]
其中Δσbβ-Ti-Al/β-Ti-Al、Δσbβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δσbβ-Ti-M/β-Ti-M表示β相固溶体中
β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M同相界面的强化强度增量。
39
CN 101763450 ACN 101763452 A[0112] [0113]
说 明 书
19/34页
初生α相中各相结构单元的固溶强化强度增量：
其中Δσbpα-Ti-Al、Δσbpα-Ti-Al-M、Δσbpα-Ti-M表示初生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化强度增量；σbα-Ti为基体α-Ti的抗拉强度
[0114]
值，
[0115] [0116]
初生α相中异相界面的界面强化强度增量：
[0117] [0118] [0119]
其中Δσbpα-Ti-Al/α-Ti、Δσbpα-Ti-Al-M/α-Ti、Δσbpα-Ti-M/α-Ti表示初生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面强化强度增量；
初生α中同相界面的界面强化强度增量：
其中Δσbpα-Ti-Al/αTi-Al、Δσbpα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δσbpα-Ti-M/α-Ti-M表示初生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化强度增量。
[0121] 初生α相与β相形成的异相界面的界面强化强度增量：
[0120] [0122]
其中Δσbpα-β-Ti-Al、Δσbpα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δσbpα-Ti-M/β-Ti-M、Δσbpα-Ti/β-Ti表示初
生α相与β相形成的α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面强化强度增量；
[0124] 次生α相中各相结构单元的固溶强化强度增量：
[0123] [0125]
40
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
20/34页
其中Δσbsα-Ti-Al、Δσbsα-Ti-Al-M、Δσbsα-Ti-M表示次生α相固溶体中α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化强度增量；[0127] 次生α相中同相界面的界面强化强度增量：
[0126] [0128]
其中Δσbsα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δσbsα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δσbsα-Ti-M/α-Ti-M表示次生α相固
溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化强度增量；
[0130] 次生α相与母相β形成异相界面的界面强化强度增量：
[0129] [0131]
其中Δσbsα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δσbsα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δσbsα-Ti-M/β-Ti-M、Δσbsα-Ti/β-Ti表示
次生α相固溶体与母相β固溶体形成的α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M相界面的界面强化强度增量；
[0133] 杂质元素形成的各相结构单元的固溶强化强度增量：
[0132] [0134]
其中Δσbα-Ti-O、Δσbα-Ti-N、Δσbα-Ti-C表示杂质元素O、N、C在α相固溶体中形
成α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元的固溶强化强度增量；[0136] 杂质元素形成的异相界面的界面强化强度增量：
[0135] [0137]
其中Δσbα-Ti-O/α-Ti、Δσbα-Ti-N/α-Ti、Δσbα-Ti-C/α-Ti表示杂质元素O、N、C在α相
固溶体中形成α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相结构单元的固溶强化强度增量；杂质元素形成的同相界面的界面强化强度增量：
[0138]
41
CN 101763450 ACN 101763452 A[0139]
说 明 书
21/34页
[0140]
其中Δσbα-Ti-O/α-Ti-O、△σbα-Ti-N/α-Ti-N、Δσbα-Ti-C/α-Ti-C表示杂质元素O、N、C在α相固溶体中形成α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面的强化强度增量；
[0141] 钛合金抗拉强度的计算公式：
[0142]
1.4.计算钛合金伸长率，以α-Ti、β-Ti的伸长率为基值，利用强化系数、强化权
重计算不同热处理条件下的钛合金伸长率降低量，将计算出的钛合金伸长率降低量求和，得出钛合金伸长率，
[0144] 钛合金伸长率计算的数学模型：
[0145] β相中各相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
[0143] [0146]
其中Δδβ-Ti-Al、Δδβ-Ti-Al-M、Δδβ-Ti-M表示β相固溶体中β-Ti-Al、
β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元的固溶强化伸长率降低量；σNβ-Ti-Al、σNβ-Ti-Al-M、σNβ-Ti-M为β-Ti-Al、β-Ti-Al-M、β-Ti-M相结构单元中可能存在的原子状态组数；δβ-Ti为基体β-Ti的伸长率值，δβ-Ti＝75％；
[0148] β相中异相界面的界面强化伸长率降低量：
[0147]
42
CN 101763450 ACN 101763452 A[0149]
说 明 书
22/34页
其中Δδβ-Ti-Al/β-Ti、Δδβ-Ti-Al-M/β-Ti、Δδβ-Ti-M/β-Ti表示β相固溶体中β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；σβ-Ti-Al/β-Ti、σβ-Ti-Al-M/β-Ti、σβ-Ti-M/β-Ti为β-Ti-Al/β-Ti、β-Ti-Al-M/β-Ti、β-Ti-M/β-Ti相界面中可能存在的原子状态组数；
[0151] β相中同相界面的界面强化伸长率降低量：
[0150] [0152]
其中Δδβ-Ti-Al/β-Ti-Al、Δδβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δδβ-Ti-M/β-Ti-M表示β相固溶体
中β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；σβ-Ti-Al/β-Ti-Al、σβ-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、σβ-Ti-M/β-Ti-M为β-Ti-Al/β-Ti-Al、β-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、β-Ti-M/β-Ti-M相界面中可能存在的原子状态组数；[0154] 初生α相中各相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
[0153] [0155]
其中Δδpα-Ti-Al、Δδpα-Ti-Al-M、Δδpα-Ti-M表示初生α相固溶体中α-Ti-Al、
α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化伸长率降低量；σNα-Ti-Al、σNα-Ti-Al-M、σNα-Ti-M为α-Ti-Al、α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元中可能存在的原子状态组数；δα-Ti为基体α-Ti的伸长率值，δα-Ti＝49％；
[0157] 初生α相中异相界面的界面强化伸长率降低量：
[0156] [0158]
[0159]
其中Δδpα-Ti-Al/α-Ti、Δδpα-Ti-Al-M/α-Ti、Δδpα-Ti-M/α-Ti表示初生α相固溶体中
43
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
23/34页
α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti-Al/α-Ti、σα-Ti-Al-M/α-Ti、σα-Ti-M/α-Ti为α-Ti-Al/α-Ti、α-Ti-Al-M/α-Ti、α-Ti-M/α-Ti相界面中可能存在的原子状态组数；
[0160] 初生α相中同相界面的界面强化伸长率降低量：
[0161]
其中Δδpα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δδpα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δδpα-Ti-M/α-Ti-M表示初生α相固
溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti-Al/α-Ti-Al、σα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、σα-Ti-M/α-Ti-M为α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面中可能存在的原子状态组数；[0163] 初生α相与β相形成异相界面的界面强化伸长率降低量：
[0162] [0164]
其中Δδpα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δδpα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δδpα-Ti-M/β-Ti-M、Δδpα-Ti/β-Ti表示初
生α相与β相形成α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti-Al/β-Ti-Al、σα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、σα-Ti-M/β-Ti-M、σα-Ti/β-Ti为α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面中可能存在的原子状态组数；
[0166] 次生α相中各相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
[0165] [0167]
其中Δδsα-Ti-Al、Δδsα-Ti-Al-M、Δδsα-Ti-M表示次生α相固溶体中α-Ti-Al、
α-Ti-Al-M、α-Ti-M相结构单元的固溶强化伸长率降低量；当有初生α析出时δmatrix＝δα-Ti，否则δmatrix＝δβ-Ti；
[0169] 次生α相中同相界面的界面强化伸长率降低量：
[0168] [0170]
44
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
24/34页
其中Δδsα-Ti-Al/α-Ti-Al、Δδsα-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、Δδsα-Ti-M/α-Ti-M表示次生α相固溶体中α-Ti-Al/α-Ti-Al、α-Ti-Al-M/α-Ti-Al-M、α-Ti-M/α-Ti-M相界面的界面强化伸长率降低量；
[0172] 次生α相与β相形成异相界面的界面强化伸长率降低量：
[0171] [0173]
其中Δδsα-Ti-Al/β-Ti-Al、Δδsα-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、Δδsα-Ti-M/β-Ti-M、Δδsα-Ti/β-Ti表示
次生α相与β相形成α-Ti-Al/β-Ti-Al、α-Ti-Al-M/β-Ti-Al-M、α-Ti-M/β-Ti-M、α-Ti/β-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；σα-Ti/β-Ti为α-Ti/β-Ti相界面可能存在的原子状态组数；
[0175] 杂质元素形成相结构单元的固溶强化伸长率降低量：
[0174] [0176]
[0177] [0178] [0179]
其中Δδα-Ti-O、Δδα-Ti-N、Δδα-Ti-C为α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C结构单元的固
溶强化伸长率降低量；
杂质元素形成异相界面的界面强化伸长率降低量：
[0180]
其中Δδα-Ti-O/α-Ti、Δδα-Ti-N/α-Ti、Δδα-Ti-C/α-Ti为α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/
45
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
25/34页
α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面的界面强化伸长率降低量；[0181] 杂质元素形成同相界面的界面强化伸长率降低量：
[0182]
其中Δδα-Ti-O/α-Ti、Δδα-Ti-N/α-Ti、Δδα-Ti-C/α-Ti为α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/
α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面的界面强化伸长率降低量；[0184] 钛合金伸长率计算公式：
[0183] [0185]
[0186] [0187] [0188] [0189]
[0190]
[0191]
[0192]
[0193] [0194] [0195] [0196] [0197] [0198]
46
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
26/34页
将上述计算公式(1)～公式(52)编制成计算软件，在计算机上输入试选的合金成分及相应的热处理工艺后执行计算，通过观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差在10％内，这样便可确定经β相区固溶处理+水淬、α+β相区固溶处理+水淬及固溶处理+时效条件下钛合金的化学成分。[0200] 上述钛合金成分定量设计方法，在计算机上可进行5～10次调整合金化学成分，并取设计合金的抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差的最小值所对应的合金成分作为设计合金最优化的化学成分。[0201] 从合金的化学成分出发、结合制备工艺、从理论上计算出合金的性能是计算材料学的重要内容，也是真正意义上的合金设计。为此，国内外众多学者正从不同层次、用不同方式从近似向精确的定量计算逼近。本发明基于“固体与分子经验电子理论”，利用合金电子结构参数、结合钛合金的相变，提出定量计算钛合金抗拉强度σb、伸长率δ的数学模型，以抗拉强度σb、伸长率δ的计算值为条件进行钛合金成分的定量设计。尽管，本发明与d-电子理论设计法一样各自所采用的电子结构参数均能反映合金原子外层电子的特性，但是本发明却能很容易地解决了d-电子理论设计法很难定量计算合金抗拉强度、伸长率的问题。与模糊逻辑、神经网络技术、专家数据库相比，本发明计算时输入的不是生产中采集及模拟的样本数据，而是具有明确物理意义的合金系自身的电子结构特征参数。[0202] 本发明从钛合金的实际相变过程出发，在电子结构层次上建立了不同热处理条件下钛合金的强化权重、强化系数的数学模型，然后以α-Ti、β-Ti的抗拉强度、伸长率值为基值，利用强化权重、强化系数计算不同热处理条件下的强度增量及伸长率的降低量，从而给出钛合金在不同热处理条件下的抗拉强度、伸长率的计算值。将计算公式编制成计算软件，在计算机上观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差在10％内，这样便可确定钛合金成分。其主要特点是，设计基于的电子结构参数来源于能够表征合金原子特性的原子外层电子数、具有明确的物理意义；β相固溶体、初生α相及次生α相固溶体的强化权重的数学模型体现了钛合金不同热处理条件下的相变过程；固溶强化系数的数学模型体现了不同热处理条件下钛合金中合金原子结合力的大小，故与原子键合力相关的钛合金固溶强化机制可以用固溶强化系数表征；界面强化系数的数学模型体现了不同热处理条件下钛合金中相界面间界面应力水平，故与界面应力相关的钛合金中时效强化机制、位错强化机制可以用界面强化系数表征。设计基于的数学模型先进、简单，设计过程快速而经济，设计结果准确性高，应用前景十分广阔，不仅降低了合金设计成本，也丰富了钛合金成分设计理论体系，同时也为其它合金体系的成分设计提供借鉴价值。
[0199]
具体实施方式[0203] 实例1
[0204] β相区固溶处理+水淬时亚稳β钛合金成分的定量设计。亚稳β钛合金经β相区固溶处理+水淬后，组织为单一的β相，即初生α、次生α相的强化权重为零，相应地初生α、次生α中相结构单元及相界面的强度增量及伸长率降低量也为零。在本实例中计
47
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
27/34页
算软件在执行任务时，尽管需执行公式(1)～公式(52)的所有计算步骤，但是初生α、次生α中相结构单元及相界面的强度增量及伸长率降低量的计算结果为零。于是在下面的具体实施过程的论述中仅仅交代了与强化权重不为零相关的相结构单元及相界面的计算步骤，具体步骤如下：[0205] ①利用“固体与分子经验电子理论”计算β相中相结构单元及相界面电子结构参数nA′、σN、Δρ′、Δρmax、σ，并建立如表1～表4的数据库。[0206] ②利用合金化学成分的原子百分数、表1中的相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′及公式(1)计算β相中各相结构单元的强化权重，利用杂质元素的原子百分数及公式(2)计算杂质元素形成的相结构单元的强化权重，利用公式(6)计算杂质元素固溶在α相中的占有Ti的原子百分数CαpTi及利用公式(7)计算β相中Ti的原子百分数CβTi；
[0207] 利用表2及公式(13)计算β相中各相结构单元的固溶强化系数，利用表3及公式(14)计算β相中异相界面的界面强化系数，利用表4及公式(15)计算β相中同相界面的界面强化系数，利用表5中α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元中最强共价键上共用电子对数的统计值nA′及公式(22)计算杂质元素形成相结构单元的固溶强化系数，利用表6中α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面电子密度差的统计值Δρ′及公式(23)计算杂质元素形成异相界面的界面强化系数，利用表7中α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面电子密度差的统计值Δρ′及公式(24)计算杂质元素形成同相界面的界面强化系数。
[0208] ③将计算的β相中各相结构单元的固溶强化权重、固溶强化系数代入公式(25)计算β相中各相结构单元的固溶强化强度增量；将计算的β相中各相结构单元的固溶强化权重、β相中异相界面的界面强化系数代入公式(26)计算β相中异相界面的界面强化强度增量；将计算的β相中各相结构单元的固溶强化权重及β相中同相界面的界面强化系数代入公式(27)计算β相中同相界面的界面强化强度增量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及固溶强化系数代入公式(35)计算杂质元素形成相结构单元的固溶强化强度增量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及杂质元素形成异相界面的界面强化系数代入公式(36)计算杂质元素形成异相界面的界面强化强度增量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及杂质元素形成同相界面的界面强化系数代入公式(37)计算杂质元素形成同相界面的界面强化强度增量。将上述计算的CαpTi、CβTi、
及各强化强度增量代入公式(38)计算β相区固溶处理+水淬时亚稳β钛合金的抗拉强度。
[0209] ④将计算的β相中各相结构单元的固溶强化权重、固溶强化系数、界面强化系数、表2中的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表3～表4中的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(39-41)计算β相固溶体中各相结构单元及相界面伸长率降低量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重、固溶强化系数、界面强化系数、表5中杂质元素的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表6-表7中杂质元素的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(49-51)计算杂质元素形成相结构单元及相界面的伸长率降低量；最后利用公式(52)计算β相区固溶处理+水淬时亚稳β钛合金的伸长率。
48
CN 101763450 ACN 101763452 A[0210]
说 明 书
28/34页
将计算公式(1)～公式(52)编制成计算软件，在计算机上输入试选的合金成分及选择β相区固溶处理+水淬的热处理条件后执行计算，通过观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率值与技术要求值的相对误差在10％之内，这样便可确定了β相区固溶处理+水淬时亚稳β钛合金的化学成分。在满足相对误差不大于10％的前提条件下，可在计算机上进行5-10次
的调整合金化学成分，并取抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差最小时所对应的合金成分作为β相区固溶处理+水淬时亚稳β钛合金的最优化的设计成分。[0211] 为了验证公式的可靠性，表9给出了β-21、BT-22、Ti-B20钛合金经β相区固溶处理+水淬时抗拉强度ρb、伸长率δ的实测值与理论计算值的对照，二者的相对误差均在10％之内。从计算结果看，定量设计的理论模型具有较高的可靠性。[0212] 表9 β相区固溶处理时理论计算值与实验值的对照
[0213]
注：1)β-21合金：化学成分(wt％)为Al＝3.0，Mo＝15.0，Nb＝2.7，Si＝
0.20，Fe＝0.08，N＝0.011，O＝0.08，C＝0.04，H＝0.001；相变点约为815℃。2)BT-22合金：化学成分(wt％)为Al＝5.0，Mo＝5.0，V＝5.0，Cr＝1.0，Fe＝1.0，N＝0.011，O＝0.085，C＝0.04，H＝0.001；相变点约为830℃。3)Ti-B20合金：化学成分(wt％)为Al＝3.7，Mo＝4.7，V＝4.0，Cr＝1.9，Fe＝1.0，Zr＝2.1，Sn＝1.9，N＝0.027，O＝0.08，C＝0.03，H＝0.001；相变点约为810℃。[0215] 实例2
[0216] α+β相区固溶处理+水淬时钛合金成分的定量设计。钛合金经α+β相区固溶处理+水淬后，组织为初生α+β相，即次生α相的强化权重为零，相应地次生α中相结构单元及相界面的强度增量及伸长率降低量也为零。在本实例中计算软件在执行任务时，尽管需执行公式(1)～公式(52)的所有计算步骤，但是次生α中相结构单元及相界面的强度增量及伸长率降低量的计算结果为零。于是在下面的具体实施过程的论述中仅仅交代了与强化权重不为零相关的相结构单元及相界面的计算步骤，具体步骤如下：[0217] ①利用“固体与分子经验电子理论”计算β相、初生α相中相结构单元及相界面电子结构参数nA′、σN、Δρ′、Δρmax、σ，并建立如表1～表8的数据库。
[0214]
②利用合金化学成分的原子百分数、表1中的相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′及公式(1)计算β相中各相结构单元的强化权重，利用杂质元素的原子百分数及公式(2)计算杂质元素相结构单元的强化权重，利用公式(3)计算初生α相中各相结构单元的强化权重，利用公式(4)计算初生α相析出后β相中各相结构单元的
利用公式(6)计算初生强化权重；利用公式(5)计算初生α相中α-Ti结构单元的权重，
α相中Ti的原子百分数CαpTi及利用公式(7)计算β相中Ti的原子百分数CβTi；[0219] 利用表2及公式(13)计算β相中各相结构单元的固溶强化系数，利用表3及公
[0218]
49
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
29/34页
式(14)计算β相中异相界面的界面强化系数，利用表4及公式(15)计算β相中同相界面的界面强化系数，利用表5及公式(16)计算初生α中相结构单元的固溶强化系数，利用表6及公式(17)计算初生α中异相界面的界面强化系数，利用表7及公式(18)初生α中同相界面的界面强化系数，利用表8及公式(19)计算初生α相与β相形成异相界面的界面强化系数，利用表5中α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′及公式(22)计算杂质元素形成相结构单元的固溶强化系数，利用表6中α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面电子密度差的统计值Δρ′及公式(23)计算杂质元素形成异相界面的界面强化系数，利用表7中α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面电子密度差的统计值Δρ′及公式(24)计算杂质元素形成同相界面的界面强化系数。
[0220] ③将计算的初生α相析出后β相中各相结构单元的强化权重、固溶强化系数代入公式(25)计算β相中各相结构单元的固溶强化强度增量；将计算的初生α相析出后β相中各相结构单元的强化权重、β相中异相界面的界面强化系数代入公式(26)计算β相中异相界面的界面强化强度增量；将计算的初生α相析出后β相中各相结构单元的强化权重、β相中同相界面的界面强化系数代入公式(27)计算β相中同相界面的界面强化强度增量；将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、固溶强化系数代入公式(28)计算初生α相中各相结构单元的固溶强化强度增量，将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、初生α相中异相界面的界面强化系数代入公式(29)计算初生α相中异相界面的界面强化强度增量，将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、初生α相中同相界面的界面强化系数代入公式(30)计算初生α相中同相界面的界面强化强度增量，将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、初生α相与β相形成的异相界面的界面强化系数代入公式(31)计算初生α相与β相形成的异相界面的界面强化强度增量，将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及固溶强化系数代入公式(35)计算杂质元素形成相结构单元的固溶强化强度增量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及杂质元素形成异相界面的界面强化系数代入公式(36)计算杂质元素形成异相界面的界面强化强度增量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及杂质元素形成同相界面的界面强化系数代入公式(37)计算杂质元素形成同相界面的界面强化强度增量。将上述计算的CαpTi、CβTi、
及各强化强度增量代入公式(38)计算α+β相区固溶处理+水淬
时钛合金的抗拉强度。
[0221] ④将计算的初生α相析出后β相中各相结构单元的强化权重、固溶强化系数及相界面的界面强化系数、表2中的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表3-表4中的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(39-41)计算β相固溶体中各相结构单元及相界面伸长率降低量；将计算的初生α相中各相结构单元的强化权重、固溶强化系数及相界面的界面强化系数、表5中的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表6-表7中的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(42-45)计算初生α相结构单元及相界面的伸长率降低量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重、固溶强化系数、界面强化系数、表5中杂质元素的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表6-表7中杂质元素的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(49-51)计算杂质元素形成相结构单元及相界面的伸长率降低量；最后利用公式(52)计算α+β相区固溶
50
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
30/34页
处理+水淬时钛合金的伸长率。
[0222] 将计算公式(1)～公式(52)编制成计算软件，在计算机上输入试选的合金成分及选择α+β相区固溶处理+水淬的热处理条件后执行计算，通过观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率值与技术要求值的相对误差在10％之内，这样便可确定了α+β相区固溶处理+水淬时钛合金的化学成分。在满足相对误差不大于10％的前提条件下，可在计算机上进行5-10次的调整合金化学成分，并取抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差最小时所对应的合金成分作为α+β相区固溶处理+水淬时钛合金的最佳设计成分。[0223] 为了验证公式的可靠性，表10给出了已有的β-21、Ti-B20、TC21钛合金在α+β相区固溶处理+水淬时理论计算值与实验值的对照，二者的相对误差均在10％之内。从计算结果看，定量设计的理论模型具有较高的可靠性。
[0224] 表10 α+β相区固溶处理+水淬时理论计算值与实验值的对照
[0225]
注：合金的成分与表9的相同；Ti-B20合金误差按平均值计算
[0227] 实例3
[0228] 固溶处理+时效时钛合金成分的定量设计。钛合金经固溶处理+时效后，组织为基体β相+初生α相+次生α相。具体实施过程如下：[0229] ①利用“固体与分子经验电子理论”计算β相、初生α相、次生α相中相结构单元及相界面电子结构参数nA′、σN、Δρ′、Δρmax、σ，并建立如表1～表8的数据库。[0230] ②利用合金化学成分的原子百分数、表1中的的相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′及公式(1)计算β相中各相结构单元的强化权重，利用杂质元素的原子百分数及公式(2)计算杂质元素相结构单元的强化权重，利用公式(3)计算初生α相中各相结构单元的强化权重，利用公式(4)计算初生α相析出后β相中各相结构单元的强化权重；利用公式(5)计算初生α相中α-Ti结构单元的权重，利用公式(6)计算初生α相中Ti的原子百分数CαpTi，利用公式(8)计算次生α相中各相结构单元的强化权重，利用公式(9)计算次生α相析出后β相中相结构单元的强化权重，利用公式(10)计算次生α相中α-Ti相结构单元的权重，利用公式(11)计算次生α相中Ti原子百分数CαsTi，利用公式(12)计算次生α相析出后β相中Ti原子百分数CβTi；[0231] 利用表2及公式(13)计算β相中各相结构单元的固溶强化系数，利用表3及公式(14)计算β相中异相界面的界面强化系数，利用表4及公式(15)计算β相中同相界面的界面强化系数，利用表5及公式(16)计算初生α、次生α相中相结构单元的固溶强化系数，利用表6及公式(17)计算初生α中异相界面的界面强化系数，利用表7及公
[0226]
51
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
31/34页
式(18)初生α中同相界面的界面强化系数，利用表8及公式(19)初生α相与β相形成相界面的界面强化系数，利用表7及公式(20)计算次生α相中同相界面的界面强化系数，利用表8及公式(21)计算次生α与母相β形成异相界面的界面强化系数，计算利用表5中α-Ti-O、α-Ti-N、α-Ti-C相结构单元中最强共价键上的共用电子对数的统计值nA′及公式(22)计算杂质元素形成相结构单元的固溶强化系数，利用表6中α-Ti-O/α-Ti、α-Ti-N/α-Ti、α-Ti-C/α-Ti相界面的界面电子密度差的统计值Δρ′及公式(23)计算杂质元素形成异相界面的界面强化系数，利用表7中α-Ti-O/α-Ti-O、α-Ti-N/α-Ti-N、α-Ti-C/α-Ti-C相界面的界面电子密度差的统计值Δρ′及公式(24)计算杂质元素形成同相界面的界面强化系数。
[0232] ③将计算的次生α相析出后β相中相结构单元的强化权重、固溶强化系数代入公式(25)计算β相中各相结构单元的固溶强化强度增量；将计算的次生α相析出后β相中相结构单元的强化权重、β相中异相界面的界面强化系数代入公式(26)计算β相中异相界面的界面强化强度增量；将计算的次生α相析出后β相中相结构单元的强化权重、β相中同相界面的界面强化系数代入公式(27)计算β相中同相界面的界面强化强度增量；将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、固溶强化系数代入公式(28)计算初生α相中各相结构单元的固溶强化强度增量，将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、初生α相中异相界面的界面强化系数代入公式(29)计算初生α相中异相界面的界面强化强度增量，将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、初生α相中同相界面的界面强化系数代入公式(30)计算初生α相中同相界面的界面强化强度增量，将计算的初生α相中相结构单元的固溶强化权重、初生α相与β相形成的异相界面的界面强化系数代入公式(31)计算初生α相与β相形成的异相界面的界面强化强度增量，将计算的次生α相中各相结构单元的强化权重、固溶强化系数代入公式(32)计算次生α相中各相结构单元的固溶强化强度增量，将计算的次生α相中各相结构单元的强化权重、次生α相中同相界面的界面强化系数代入公式(33)计算次生α相中同相界面的界面强化强度增量，将计算的次生α相中各相结构单元的强化权重、次生α相与母相β形成异相界面的界面强化系数代入公式(34)计算次生α相与母相β形成异相界面的界面强化强度增量，将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及固溶强化系数代入公式(35)计算杂质元素形成相结构单元的固溶强化强度增量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及杂质元素形成异相界面的界面强化系数代入公式(36)计算杂质元素形成异相界面的界面强化强度增量；将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重及杂质元素形成同相界面的界面强化系数代入公式(37)计算杂质元素形成同相界面的界面强化强度增量。将上述计算的CαpTi、CβTi、CαsTi及各强化强度增量代入公式(38)计算固溶处理+时效时钛合金的抗拉强度。
[0233] ④将计算的次生α相析出后β相中相结构单元的强化权重、固溶强化系数及相界面的界面强化系数、表2中的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表3-表4中的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(39-41)计算β相固溶体中各相结构单元及相界面伸长率降低量；将计算的初生α相中各相结构单元的强化权重、固溶强化系数及相界面的界面强化系数、表5中的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表6-表7中的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(42-45)计算初生α相结构单
52
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
32/34页
元及相界面的伸长率降低量；将计算的次生α相中各相结构单元的强化权重、固溶强化系数及相界面的界面强化系数、表5中的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表6-表7中的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(46-48)计算次生α相中相结构单元及相界面的伸长率降低量，将计算的杂质元素形成的相结构单元的强化权重、固溶强化系数、界面强化系数、表5中杂质元素的相结构单元中可能存在的原子状态组数σN、表6-表7中杂质元素的相界面上可能存在的原子状态组数σ分别代入公式(49-51)计算杂质元素形成相结构单元及相界面的伸长率降低量；最后利用公式(52)计算固溶处理+时效时钛合金的伸长率。
[0234] 将计算公式(1)～公式(52)编制成计算软件，在计算机上输入试选的合金成分及选择固溶处理+时效的热处理条件后执行计算，通过观察合金元素在不同热处理条件下抗拉强度、伸长率的改变量，反复调整合金化学成分使设计合金的抗拉强度、伸长率值与技术要求值的相对误差在10％之内，这样便可确定了固溶处理+时效时钛合金的化学成分。在满足相对误差不大于10％的前提条件下，可在计算机上进行5-10次的调整合金化学成分，并取抗拉强度、伸长率的理论计算值与技术要求值的相对误差最小时所对应的合金成分作固溶处理+时效时钛合金的最佳设计成分。[0235] 为了验证公式的可靠性，表11～表13给出了已有的β-21、Ti-B20、TC21钛合金经固溶处理+时效时理论计算值与实验值的对照。从计算结果看，除个别伸长率的相对误差超出10％外，理论计算值与实验测试值符合也很好。经已有合金验证表明，本发明理论计算模型具有较高的可靠性，能够进行钛合金成分的定量设计。[0236] 表11 β-21棒材固溶时效时理论计算值与实验值的对照
[0237]
注：合金的成分与表9的相同
[0239] 表12 Ti-B20经固溶时效时理论计算值与实验值的对照
[0238] [0240]
53
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
33/34页
注：合金的成分与表9的相同
[0242] 表13 TC21合金理论计算值与实验值的对照
[0241] [0243]
[0244]
注：合金化学成分(wt％)：1#为Al＝6.1，Sn＝2.05，Zr＝1.60，Mo＝2.65，Cr
＝1.50，Nb＝1.85，Si＝0.07，Fe＝0.07，C＝0.01，N＝0.02，H＝0.001，O＝0.10；2#为Al＝5.5，Sn＝2.0，Zr＝1.65，Mo＝3.1，Cr＝1.60，Nb＝1.95，Si＝0.03，Fe＝0.09，C＝0.02，N＝0.017，H＝0.001，O＝0.10；3#为Al＝6.25，Sn＝2.05，Zr＝
[0245]
54
CN 101763450 ACN 101763452 A
说 明 书
34/34页
1.70，Mo＝2.59，Cr＝1.60，Nb＝1.98，Si＝0.13，Fe＝0.03，C＝0.03，N＝0.014，H＝0.001，O＝0.090.
55
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容