一種Zr合金化的Ti?8Si合金及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)，尤其是一種Zr合金化的Ti-8Si合金，具體地說，是一種提高致密性、抗氧化性能和摩擦磨損性能的Zr合金化的Ti-8Si合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

由于鈦合金擁有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐蝕等有益性能，所以，未來幾十年，我國(guó)的大飛機(jī)工程、艦船及未來海洋開發(fā)、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)、新型戰(zhàn)機(jī)、載人航天工程、探月工程、航空、超音速巡航導(dǎo)彈、探海工程、新一代武裝直升機(jī)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)工業(yè)以及提高人民生活質(zhì)量的醫(yī)療器械用具等領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬男枨笤絹碓酱?。航空航天是鈦合金用量最大的領(lǐng)域之一。高推比航空、航天氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和巡航導(dǎo)彈的發(fā)展要求研制性能更好的鈦合金，包括高強(qiáng)(≥1250MPa)、高韌和可焊性好的鈦合金，高溫(600℃)鈦合金，低溫鈦合金和特種鈦合金(阻燃性、高模量、高塑性、高透聲系數(shù)和耐蝕等)。

如今，對(duì)于傳統(tǒng)高溫鈦合金而言，其使用溫度仍舊限制在650℃以下，在高溫環(huán)境下應(yīng)用的研究似乎未取得顯著進(jìn)展，這主要是由于材料的高溫穩(wěn)定性，可能存在的“鈦火”，有效強(qiáng)化及強(qiáng)韌性匹配等問題的限制。

因此，通過合金化、表面改性、熱處理等手段來改善材料的整體性能具有重要意義。對(duì)鈦硅化合物而言，通過添加金屬元素而形成一種或多種M_xSi_y型硅化物，改善元素分布、組織構(gòu)成，從而優(yōu)化含Ti₅Si₃、Ti₅Si₄或TiSi₂等硅化物的鈦合金材料的整體性能，具有較高的價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的鈦硅合金整體性能不能滿足使用要求的問題，發(fā)明一種“高能球磨-模壓成型-真空無(wú)壓燒結(jié)”的鈦硅合金制備方法，并通過添加金屬元素Zr，制備一種綜合性能較好的，鈦硅化合物含量高的鈦合金材料。

本發(fā)明的技術(shù)方案之一是：

一種Zr合金化的Ti-8Si合金，其特征是它主要由Ti粉、Si粉和Zr粉復(fù)合而成：Ti-8Si-xZr合金粉末的組分是以質(zhì)量百分比計(jì)算，其中，Ti粉：(92-x)wt.％，Si粉：8wt.％，Zr粉：xwt.％，x的取值范圍為0.7～5，粉體的質(zhì)量百分比之和為100％。

本發(fā)明的技術(shù)方案之二是：

一種Zr合金化的Ti-8Si合金的制備方法，其特征是它包括以下步驟：

(1)高能球磨混粉：按成份先配制Ti-8Si-xZr混合粉末，放入球磨罐，置于球磨機(jī)內(nèi)以一定球磨參數(shù)球磨，使得Ti，Si，Zr三種單質(zhì)粉末部分合金化，將球磨后所得混合粉末過篩，置于真空干燥箱內(nèi)烘干；

(2)常規(guī)模壓成型：將步驟(1)制備的混合粉末進(jìn)行壓制成型，得到壓塊；

(3)真空無(wú)壓燒結(jié)：將步驟(2)壓制成型的壓塊進(jìn)行真空無(wú)壓燒結(jié)，使得Ti，Si，Zr進(jìn)一步合金化。

所述的高能球磨的球磨工藝為：球料比(8～10):1，300～400r/min球磨至少48h，每球磨1h停機(jī)15min。

所述的球磨后的復(fù)合粉料置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至60～80℃后保溫至少4h，過300目篩。

所述的壓制成型的工藝為：壓制時(shí)采用的工作壓力為550～650MPa，壓塊為φ＝30mm、厚3～5mm的圓塊。

所述的燒結(jié)前將壓坯置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至90～110℃后保溫至少6h。

所述的真空無(wú)壓燒結(jié)的工藝為：抽真空至1×10^-1Pa或以上，升溫速率為10～15℃/min，燒結(jié)工藝為600℃×2h+800℃×2h+1000℃×2h+1250℃×2h，最后隨爐冷卻。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明創(chuàng)新性地提出一種“高能球磨-模壓成型-真空無(wú)壓燒結(jié)”粉末冶金工藝，在混粉階段通過高能球磨使Ti，Si，Zr三種單質(zhì)粉末部分合金化，在燒結(jié)過程中，進(jìn)一步合金化，與普通粉末冶金工藝相比，本工藝使得三種單質(zhì)粉末合金化更加充分，為鈦金屬提供了一種可工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法。

(2)本發(fā)明提供的Zr合金化的Ti-8Si合金的制備方法操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。

(3)本發(fā)明制備的Zr合金化Ti-8Si系金屬合金材料相較于普通的Ti-8Si金屬合金材料，其致密性、抗氧化性和摩擦磨損性能等均有不同程度的提高。

(4)很好地解決了高溫鈦合金難以突破650℃的應(yīng)用環(huán)境的難題。

(5)本發(fā)明不僅適用于Ti-8Si系鈦合金的制備，還適用于各種型號(hào)鈦材的制備，為鈦合金材料的發(fā)明提供了更多的信息和理論依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明對(duì)比例中球磨后Ti-8Si粉末的XRD衍射圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中球磨后Ti-8Si-0.7Zr粉末的XRD衍射圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中球磨后Ti-8Si-1.4Zr粉末的XRD衍射圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中球磨后Ti-8Si-2.8Zr粉末的XRD衍射圖；

圖5是本發(fā)明對(duì)比例中燒結(jié)后Ti-8Si合金的XRD衍射圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中燒結(jié)后Ti-8Si-0.7Zr合金的XRD衍射圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中燒結(jié)后Ti-8Si-1.4Zr合金的XRD衍射圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中燒結(jié)后Ti-8Si-2.8Zr合金的XRD衍射圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明，但本發(fā)明不僅限于實(shí)施例。

實(shí)施例1。

如圖1、2、5、6所示。

一種Zr合金化的Ti-8Si合金Ti-8Si-0.7Zr，它通過以下步驟制備而成：

首先，配制30g的Ti，Si，Zr單質(zhì)混合粉末，其中Ti粉91.3wt.％(27.39g)，Si粉8wt.％(2.4g)，Zr粉0.7wt.％(0.21g)，將混合粉末置于燒杯中攪拌均勻；

其次，按照球料比8:1先稱量240g瑪瑙球置于500ml尼龍球磨罐中，再將稱量并混合均勻的混合粉末置于尼龍球磨罐中，加蓋密封；

然后，將球磨罐安裝在行星球磨機(jī)上，開始球磨，球磨參數(shù)設(shè)置為300r/min，每球磨1h停機(jī)15min，球磨48h后，取出球磨罐中的粉料；

進(jìn)一步地，將取出的混合粉末過300目篩，得到顆粒度均勻的粉料后，將其置于真空干燥箱中60℃真空干燥至少4h，得到所需粉料；

之后，采用模具單向加壓的粉末壓坯成型方法對(duì)所得粉料進(jìn)行壓制成型，模具內(nèi)徑為φ＝30mm，工作壓力為550MPa，制成Φ＝30mm、厚3～5mm的圓塊；

隨后，將壓坯置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至90～110℃后保溫至少6h；

最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無(wú)壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至1×10^-1Pa，升溫速率為10℃/min，燒結(jié)工藝為600℃×2h+800℃×2h+1000℃×2h+1250℃×2h，最后隨爐冷卻。

采用上述步驟制得的Ti-8Si-0.7Zr混合粉末機(jī)械合金化現(xiàn)象明顯，圖2為本實(shí)施例高能球磨后所得的Ti-8Si-0.7Zr粉末的XRD衍射圖譜，經(jīng)分析，除檢測(cè)到Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂三種鈦硅化合物的生成，還有Ti₂Zr、和Zr₃Si₂等化合物；圖6為真空無(wú)壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-0.7Zr合金的XRD衍射圖譜，分析得，除檢測(cè)到Ti5Si4、Ti2Zr或Zr3Si2等物相外，還出現(xiàn)新的Ti5Si3、Zr5Si3或Ti2Zr3Si3相，說明三種單質(zhì)粉末經(jīng)過本工藝后合金化較為充分；Ti-8Si-0.7Zr合金的顯氣孔率為0.308％，體積密度為4.604g/cm3，700℃下100h的平均氧化速度K⁺值為0.0315g·m^-2/h，磨痕寬度為365μm。

實(shí)施例2。

如圖1、3、5、7所示。

一種Zr合金化的Ti-8Si合金Ti-8Si-1.4Zr，其制備方法與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于將Zr粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.7wt.％(0.21g)提高至1.4wt.％(0.42g)，相應(yīng)地，Ti粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由91.3wt.％(27.39g)降低至90.6wt.％(27.18g)。

采用上述步驟制得的Ti-8Si-0.7Zr混合粉末機(jī)械合金化現(xiàn)象明顯，圖3為本實(shí)施例高能球磨后所得的Ti-8Si-1.4Zr粉末的XRD衍射圖譜，經(jīng)分析，除檢測(cè)到Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂三種鈦硅化合物的生成，還有Ti₂Zr、和Zr₃Si₂等化合物；圖7為真空無(wú)壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-1.4Zr合金的XRD衍射圖譜，分析得，除檢測(cè)到Ti₅Si₄、TiSi₂、Ti₂Zr或Zr₃Si₂等物相外，還出現(xiàn)新的Ti₅Si₃、Zr₅Si₃或Ti₂Zr₃Si₃相，說明三種單質(zhì)粉末經(jīng)過本工藝后合金化較為充分；Ti-8Si-1.4Zr合金的顯氣孔率為1.19％，體積密度為4.436g/cm3，700℃下100h的平均氧化速度K⁺值為0.0289g·m^-2/h，磨痕寬度為390μm。

實(shí)施例3。

如圖1、4、5、8所示。

一種Zr合金化的Ti-8Si合金Ti-8Si-2.8Zr，其制備方法與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于將Zr粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.7wt.％(0.21g)提高至2.8wt.％(0.84g)，相應(yīng)地，Ti粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由91.3wt.％(27.39g)降低至89.2wt.％(26.76g)。

采用上述步驟制得的Ti-8Si-2.8Zr混合粉末機(jī)械合金化現(xiàn)象明顯，圖4為本實(shí)施例高能球磨后所得的Ti-8Si-1.4Zr粉末的XRD衍射圖譜，經(jīng)分析，除檢測(cè)到Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂三種鈦硅化合物的生成，還有Ti₂Zr、和Zr₃Si₂等化合物；圖8為真空無(wú)壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-1.4Zr合金的XRD衍射圖譜，分析得，除檢測(cè)到Ti₅Si₄、TiSi₂、Ti₂Zr或Zr₃Si₂等物相外，還出現(xiàn)新的Ti₅Si₃、Zr₅Si₃或Ti₂Zr₃Si₃相，說明三種單質(zhì)粉末經(jīng)過本工藝后合金化較為充分；Ti-8Si-2.8Zr合金的顯氣孔率為0.779％，體積密度為4.543g/cm3，700℃下100h的平均氧化速度K⁺值為0.0326g·m^-2/h。

對(duì)比例

Ti-8Si合金的制備方法：

本對(duì)比例與實(shí)施例1類同，不同之處在于不添加Zr粉，只有92wt.％(27.6g)的Ti粉和8wt.％(2.4g)的Si粉；

圖1為高能求磨后Ti-8Si粉末的XRD衍射圖譜，只檢測(cè)到Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂三種鈦硅化合物；圖5為真空無(wú)壓燒結(jié)后Ti-8Si合金的XRD衍射圖譜，只檢測(cè)到Ti₅Si₄和Ti₅Si₃；Ti-8Si合金的顯氣孔率為5.84％，體積密度為4.362g/cm³，700℃下100h的平均氧化速度K⁺值為0.097g·m^-2/h，磨痕寬度為407μm。

將三個(gè)實(shí)施例與對(duì)比例對(duì)比發(fā)現(xiàn)，添加金屬Zr粉末進(jìn)行合金化之后制得的Ti-8Si-xZr合金的綜合性能比Ti-8Si好，其中，Ti-8Si-0.7Zr合金的致密性最好，顯氣孔率比Ti-8Si合金降低了94.7％(0.308％VS 5.84％)，體積密度比Ti-8Si合金提高了5.5％(4.604g/cm³VS 4.362g/cm³)；Ti-8Si-1.4Zr合金的抗氧化性能最好。700℃下100h的平均氧化速度K⁺值比Ti-8Si合金降低了70.2％(0.0289g·m^-2/h VS 0.097g·m^-2/h)；Ti-8Si-0.7Zr合金的摩擦磨損性能最好，磨痕寬度比Ti-8Si合金降低了10.3％(365μm VS 407μm)。

實(shí)施例4。

一種Zr合金化的Ti-8Si合金Ti-8Si-5Zr，它通過以下步驟制備而成：

首先，配制30g的Ti，Si，Zr單質(zhì)混合粉末，其中Ti粉87wt.％(26.1g)，Si粉8wt.％(2.4g)，Zr粉5wt.％(1.5g)，將混合粉末置于燒杯中攪拌均勻；

其次，按照球料比10:1先稱量300g瑪瑙球置于500ml尼龍球磨罐中(也可按9：1量270g瑪瑙球)，再將稱量并混合均勻的混合粉末置于尼龍球磨罐中，加蓋密封；

然后，將球磨罐安裝在行星球磨機(jī)上，開始球磨，球磨參數(shù)設(shè)置為400r/min(也可為350r/min)，球磨1h停機(jī)10min，求磨50h后，取出球磨罐中的粉料；

進(jìn)一步地，將取出的混合粉末過300目篩，得到顆粒度均勻的粉料后，將其置于真空干燥箱中升溫到60～80℃真空干燥2h，保溫4小時(shí)，得到所需粉料；

之后，采用模具單向加壓的粉末壓坯成型方法對(duì)所得粉料進(jìn)行壓制成型，模具內(nèi)徑為φ＝30mm，工作壓力為650MPa(也可為600MPa)，制成φ＝30mm、厚3～5mm的圓塊；圓塊坯料壓制成型后最好再將圓塊置于真空干燥箱中，隨干燥箱升溫至90～110℃后保溫6小時(shí)以上再進(jìn)行燒結(jié)；

最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無(wú)壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至1×10^-1Pa，升溫速率為10℃/min，燒結(jié)工藝為600℃×2h+800℃×2h+1000℃×2h+1250℃×2h，最后隨爐冷卻。

采用上述步驟制得的Ti-8Si-5Zr混合粉末機(jī)械合金化現(xiàn)象明顯，本實(shí)施例高能球磨后所得的Ti-8Si-5Zr粉末的XRD衍射圖譜與圖2相近似，經(jīng)分析，除檢測(cè)到Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂三種鈦硅化合物的生成，還有Ti₂Zr、和Zr₃Si₂等化合物；真空無(wú)壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-5Zr合金的XRD衍射圖譜與圖6相近似，分析得，除檢測(cè)到Ti5Si4、Ti2Zr或Zr3Si2等物相外，還出現(xiàn)新的Ti5Si3、Zr5Si3或Ti2Zr3Si3相，說明三種單質(zhì)粉末經(jīng)過本工藝后合金化較為充分；Ti-8Si-5Zr合金的顯氣孔率為0.312％，體積密度為4.601g/cm³，700℃下100h的平均氧化速度K⁺值為0.0318g·m^-2/h，磨痕寬度為369μm。

本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。