[发明专利]一种设计低弹性模量钛合金的方法

说明书

本发明公开了一种设计低弹性模量钛合金的方法，该方法首先通过建模软件构建二元钛合金的随机超胞模型；其次采用USPEX软件打乱随机模型中的原子坐标并重新排列，得到多个无序超胞构型，运用VASP软件进行结构优化和弹性性质计算；再次将VASP软件的输出文件CONTCAR采用应力应变法和能量应变法分别计算弹性常数；最后基于对称性的投影技术对弹性常数进行优化处理，使用VRH方法得到多个弹性模量，对比多个无序超胞构型的弹性常数和弹性模量，筛选出模拟效率高的低弹性模量钛合金的无序超胞构型；本发明避免了超大结构模型、超大计算量等缺陷，为钛合金的生产设计提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。

技术领域

本发明涉及航空结构或生物医用的材料技术领域，尤其涉及一种设计低弹性模量钛合金的方法。

背景技术

钛及钛合金作为一类重要的结构材料在20世纪50年代开始便迅速发展起来。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，可以减轻飞机的重量，提高结构效率。同样，钛合金所具备的无毒、质轻、耐生物体腐蚀及生物相容性优异等特点也使之逐步成为理想的医用金属材料。

经过近半个世纪的研究和临床应用，医用钛合金出现了一个突出问题。由于作为生物植入材料的钛合金弹性模量高于人体骨骼，会引发“应力屏蔽”效应。为了获取近似于人骨的低弹性模量，上世纪90年代以来，针对人体硬组织(关节和牙齿)替换而研发的生物医用材料低弹性模量钛合金成为研究的热点。2003年，日本丰田中央研究所成功开发一类新型Ti-Nb 基加氧钛合金，当其满足d电子设计参数Bo≈2.87，Md≈2.45eV，e/a≈4.24，并经过90％冷变形后，无加工硬化现象并具备高强度(1000MPa)、超高弹性极限(可达2.5％)、超低弹性模量(40～70GPa)等优异的综合性能，因此被称之为“橡胶金属”(GumMetal)。橡胶金属的开发促使了低弹性模量钛合金研究的进一步发展。

相比于其它类型钛合金，β型和近β型钛合金具有更低的弹性模量。因此，β型钛合金的力学性质研究便成为重中之重。美国、日本等国在上世纪90年代开始重点开发β型钛合金。β型钛合金的研制主要是在钛中添加具有生物特性的无毒合金元素，称为β稳定生物元素，常用的合金元素有Nb、Mo、Zr、Ta、Sn等。对于低弹性模量钛合金，Nb元素是基础的合金元素，所以二元TiNb合金和以TiNb为基的三元或四元钛合金成为最有代表性的研究对象。此前已有的大量实验研究表明，除添加合金元素之外，β型钛合金的成分设计和热处理工艺的选择也可以一定程度上降低其弹性模量，然而钛合金的实验研究由于成本较高等原因存在其局限性。为了弥补实验研究的缺点，钛合金的理论计算研究逐步发展起来。

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法不依赖于经验参数，可以在只提供体系基本物理量的情况下给出其结合能、电子结构、弹性性质、声子色散关系等信息，被广泛应用于β型钛合金的理论研究。使用最广的结构模型有D03结构和B2结构。然而利用有序模型来模拟无序随机构型将极大地增加原子数。为了缩短计算时间，Zunger提出了特殊准随机结构(SQS)模型来克服平均场理论的限制，获取具备短程有序的无序构型。使用密度泛函理论结合无序构型的计算方法更为接近实验当中的钛合金体系，可以有效地提升模拟效果和准确度，从而预测钛合金的弹性性质，并解释其内部机理，构建和设计出具备高强低弹的钛合金无序构型，为Ti₃Nb及更多元的钛合金材料的研发和设计提供理论指导，有效缩短研发周期。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种使用超晶胞模拟无序结构计算钛合金弹性性质，从而高效设计和构建具备短程有序的钛合金无序构型的方法。