一種Cu合金化的Ti?8Si合金及其制備方法
【專利摘要】一種Cu合金化的Ti?8Si合金及其制備方法，其特征在于：它的制備原料為Ti粉、Si粉和Cu粉；制備方法為首先，將Ti粉、Si粉和Cu粉混合均勻后進(jìn)行高能球磨，使其部分合金化，再將球磨所得的粉料干燥，過篩，然后將干燥的粉料通過模壓成型制成壓塊，最后通過真空無壓燒結(jié)，使其充分合金化。本發(fā)明提供的Ti?（8?0.08x）Si?xCu合金面成分均勻、致密性、顯微硬度、彈性模量、斷裂韌性、抗氧化性、耐腐蝕性和摩擦磨損性能等均有一定程度的提高，在航空航天、交通運輸與武器裝備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種Cu合金化的T 1-8S i合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)，尤其是Cu合金化的T1-8Si合金及其制備方法，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鈦硅系Cu合金化的T1-8Si合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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，我國的大飛機(jī)工程、艦船及未來海洋開發(fā)、高性能發(fā)動機(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)(多1250MPa)、高韌和可焊性好的鈦合金，高溫(600°C)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)。
[0003]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。對鈦硅化合物而言，通過添加金屬元素而形成一種或多種MxSiy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，具有較高的價值。
[0004]中北大學(xué)的黃莎在《Cu-T1-Si體系自蔓延高溫合成Ti5Si3的反應(yīng)機(jī)理及電子結(jié)構(gòu)研究》一文中公開了高溫條件下通過自蔓延試驗探究了 Cu-T1-Si體系的反應(yīng)形成時發(fā)現(xiàn)此體系的主要產(chǎn)物是Ti5Si3,但是由于此方法的合成時間極短，在合成反應(yīng)的過程中存在較高的反應(yīng)熱梯度，快速冷凝時易產(chǎn)生一些TiSi2、Cu3S1、Cu9Si這些不穩(wěn)定相、復(fù)雜相等問題，再加上燃燒反應(yīng)時難免會產(chǎn)生氣體溢出問題導(dǎo)致氣孔率偏高等問題，進(jìn)而影響合成材料的整體性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有的銅合金化鈦娃合金整體性能不高的問題，發(fā)明一種“高能球磨_模壓成型-真空無壓燒結(jié)”制備鈦硅合金的方法，并通過添加金屬元素Cu，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。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案之一是:
[0007]—種Cu合金化的Ti_8Si合金，其特征在于它由Ti粉、Si粉和Cu粉復(fù)合而成，制備的T1-(8-0.08x)S1-xCu合金粉末的組分是以質(zhì)量百分比計算，保持T 1-8 S i比例不變，按Cu占復(fù)合粉體質(zhì)量的x%進(jìn)行配比，其中，Ti粉:(92-0.92x)wt.%，Si粉:(8-0.08x)wt.%，Cu粉:xwt.%，X的取值范圍為5?20，各組份的質(zhì)量百分比之和為100%。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案之二是:
[0009]—種Cu合金化的Ti_8Si合金的制備方法，其特征是它主要包括以下步驟:
[0010](I)高能球磨混粉:按成份先配制T1-(8-0.08x)S1-xCu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，Cu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；
[0011](2)常規(guī)模壓成型:將步驟(I)制備的混合粉末進(jìn)行壓制成型，得到壓塊；
[0012](3)真空無壓燒結(jié):將步驟(2)壓制成型的壓塊進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，使得Ti，Si，Cu
進(jìn)一步合金化。
[0013]所述的Cu合金化的Ti_8Si合金的制備方法中步驟(I)所述球磨工藝為:球料比(8?12):1，300?400r/min球磨至少48h，每球磨30min停機(jī)lOmin。
[0014]所述的Cu合金化的T1-8S i合金的制備方法中步驟(I)所述干燥方法為:將復(fù)合粉料置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至60?80°C后至少保溫4h，過300目篩。
[0015]所述的Cu合金化的Ti_8Si合金的制備方法中步驟(2)所述模壓工藝為:壓制時采用的工作壓力為550?600MPa，壓塊為Φ = 30mm、厚3?5mm的圓塊。
[0016]所述的Cu合金化的T1-SSi合金的制備方法中步驟(3)所述燒結(jié)前將壓坯置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至100?120°c后保溫至少6h。
[00?7 ]所述的Cu合金化的T 1-8 S i合金的制備方法中步驟(3)所述燒結(jié)工藝為:抽真空至IX10—1Pa,升溫速率為 10?18°C/min，燒結(jié)工藝為600°C X2h+800°C X2h+1000°C X2h+1250°CX2h，最后隨爐冷卻。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019](I)本發(fā)明創(chuàng)新性地提出一種“高能球磨-模壓成型-真空無壓燒結(jié)”粉末冶金工藝，在混粉階段通過高能球磨使Ti，Si，Cu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。
[0020 ] (2)本發(fā)明提供的Cu合金化的T 1-8S i合金的制備方法操作簡單、易實現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。
[0021](3)本發(fā)明制備的Cu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、顯微硬度、彈性模量、斷裂韌性、抗氧化性、耐腐蝕性和摩擦磨損性能等均有不同程度的提高。
[0022](4)很好地解決了高溫鈦合金難以突破650°C的應(yīng)用環(huán)境的難題。
[0023](5)本發(fā)明不僅適用于T1-SSi系鈦合金的制備，還適用于各種型號鈦材的制備，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】
[0024]圖1是本發(fā)明對比例中球磨后Ti_8Si粉末的XRD衍射圖；
[0025]圖2是本發(fā)明實施例中球磨后T1-7.6Si_5Cu粉末的XRD衍射圖；
[0026]圖3是本發(fā)明對比例中燒結(jié)后Ti_8Si合金的XRD衍射圖；
[0027]圖4是本發(fā)明實施例中燒結(jié)后T1-7.6Si_5Cu合金的XRD衍射圖；
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)的說明，但本發(fā)明不僅限于實施例。
[0029]實施例一。
[0030]如圖1?4所示。
[0031]一種Cu合金化的T1-8Si合金T1-7.6S1-5Cu的制備方法:
[0032]首先，配制30g的Ti，Si，Cu單質(zhì)混合粉末，其中Ti粉87.4wt.% (26.22g)，Si粉7.6wt.%(2.28g), Cu粉5wt.% (1.5g)，將混合粉末置于燒杯中攪拌均勻；
[0033]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；
[0034]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，球磨30min停機(jī)lOmin，求磨48h后，取出球磨罐中的粉料；
[0035]進(jìn)一步地，將取出的混合粉末置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至60 V后保溫4h以上，過300目篩，得到所需粉料；
[0036]之后，采用模具單向加壓的粉末壓坯成型方法對所得粉料進(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；
[0037]隨后將壓坯置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至100?120°C后保溫至少6h;
[0038]最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至IX 10—1Pa,升溫速率為 10°C/min，燒結(jié)工藝為600°C X2h+800°C X2h+1000°C X2h+1250°C X2h，最后隨爐冷卻。
[0039]采用上述步驟制得的T1-7.6Si_5Cu混合粉末機(jī)械合金化現(xiàn)象明顯，圖2為本實施例高能球磨后所得的T1-7.6S1-5Cu粉末的XRD衍射圖譜，經(jīng)分析，除檢測到鈦硅化合物的生成，還有三種元素之間發(fā)生反應(yīng)生成新的化合物CuSiTi和Ti2Cu3;圖4為真空無壓燒結(jié)后得到的T1-7.6S1-5Cu合金的XRD衍射圖譜，分析得，除檢測到Ti5Si3和Ti5Si4物相外，還出現(xiàn)CuSiTi和CuxTiy(主要為Cu2Ti),說明Cu元素的添加改變了合金的相組成;T1-7.6S1-5Cu合金的顯氣孔率為0.14%，顯微硬度為1434.4HV，彈性模量為84.77GPa，斷裂韌性為4.59MPa.m1/2，800°C下10h的平均氧化速度K+值為0.19g.m—2/h，氧化層厚度為15.91μπι，在lmol/L的HCl溶液中浸泡10h的平均腐蝕深度為8μπι，磨痕寬度為331μπι，磨損體積為0.0143mm3。
[0040]對比例
[0041 ] Ti_8Si合金的制備方法:
[0042]本對比例與實施例1類同，不同之處在于不添加Cu粉，只有92wt.% (27.6g)的Ti粉和8￥匕％(2.48)的31粉;
[0043]圖1為高能求磨后Ti_8Si粉末的XRD衍射圖譜，只檢測到Ti5Si4、TiSi和TiSi2三種鈦硅化合物；圖3為真空無壓燒結(jié)后T1-8Si合金的XRD衍射圖譜，只檢測到Ti5Si4和Ti5Si3;T1-8Si合金的顯氣孔率為5.84%,顯微硬度為1021.5HV，彈性模量為68.93GPa，斷裂韌性為4.56MPa.m1/2，800°C下10h的平均氧化速度K+值為0.35g.m—2/h，氧化層厚度為19.73μπι，在lmol/L的HCl溶液中浸泡10h的平均腐蝕深度為15μπι，磨痕寬度為407μπι，磨損體積為0.0262mm3ο
[0044]將實施例與對比例對比發(fā)現(xiàn)，添加金屬Cu粉末進(jìn)行合金化之后制得的T1-7.6S1-5Cu合金的綜合性能比T1-8Si好，其中，顯氣孔率比T1-8Si合金降低了97.6%(0.14%VS5.84%)，顯微硬度提高了 40.4%(1434.4HV VS 1021.5HV)，彈性模量提高了 23.0 %(84.77GPa VS 68.93GPa)，斷裂韌性提高了0.66% (4.59MPa.m1/2VS 4.56MPa.m1/2)，800°(:下10011的平均氧化速度K+值降低了45.7%(0.19g.πι—2/h VS 0.35g.m—2/h)，氧化層深度降低了 19.4% (15.91μπι VS 19.73μπι)，在lmol/L的HCl溶液中浸泡10h的平均腐蝕深度降低了46.7%(8μηι VS 15μηι)，磨痕寬度降低了 18.7% (331μηι VS 407μηι)，磨損體積降低了45.4%(0.0143mm3VS 0.0262mm3)。
[0045]實施例二。
[0046]一種Cu合金化的Ti_8Si合金T1-7.2Si_10Cu的制備方法:
[0047]首先，配制30g的11，3丨，01單質(zhì)混合粉末，其中1^粉24.848，3丨粉2.168，01粉38)，將混合粉末置于燒杯中攪拌均勻；
[0048]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，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；
[0049]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350r/min，每球磨30min停機(jī)lOmin，球磨50h后，取出球磨罐中的粉料；
[0050]進(jìn)一步地，將取出的混合粉末置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至至少60V后保溫4h，過300目篩，得到所需粉料；
[0051 ]之后，采用模具單向加壓的粉末壓坯成型方法對所得粉料進(jìn)行壓制成型，模具內(nèi)徑為Φ =30mm，工作壓力為600MPa，制成Φ =30mm、厚3?5mm的圓塊；
[0052]將壓坯置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至100?120°C后保溫至少6h;
[0053]最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至IX10—1Pa或以上，升溫速率為 15°C/min，燒結(jié)工藝為600°C X2h+800°C X2h+1000°C X2h+1250°CX2h，最后隨爐冷卻。
[0054]采用上述步驟制得的T1-7.2S1-10Cu混合粉末機(jī)械合金化現(xiàn)象明顯，本實施例高能球磨后所得的T1-7.2S1-10Cu粉末的XRD衍射圖譜與圖2相近似，經(jīng)分析，除檢測到鈦硅化合物的生成，還有三種元素之間發(fā)生反應(yīng)生成新的化合物CuSiTi和Ti2Cu3;真空無壓燒結(jié)后得到的T1-7.2S1-10Cu合金的XRD衍射圖譜與圖4相近似，分析得，除檢測到Ti5SidPTi5Si4物相外，還出現(xiàn)CuSiTi和CuxTiy(主要為Cu2Ti)，說明Cu元素的添加改變了合金的相組成；T1-7.2S1-10Cu合金的顯氣孔率為0.11%,顯微硬度為1460HV，彈性模量為85.71GPa，斷裂韌性為4.55MPa.，800°C下10h的平均氧化速度K+值為0.18g.m—2/h，氧化層厚度為15.61μηι，在lmol/L的HCl溶液中浸泡10h的平均腐蝕深度為8.Ιμπι，磨痕寬度為335μηι，磨損體積為 0.0140mm3。
[0055]實施例三。
[0056]一種Cu合金化的Ti_8Si合金T1-6.4Si_20Cu的制備方法:
[0057]首先，配制30g的11，3丨，01單質(zhì)混合粉末，其中1^粉22.088，3丨粉1.928，01粉68)，將混合粉末置于燒杯中攪拌均勻；
[0058]其次，按照球料比12:1先稱量360g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；
[0059]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，球磨30min停機(jī)lOmin，球磨55h后，取出球磨罐中的粉料；
[0060]進(jìn)一步地，將取出的混合粉末置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至至少60V后保溫4h，過300目篩，得到所需粉料；
[0061 ]之后，采用模具單向加壓的粉末壓坯成型方法對所得粉料進(jìn)行壓制成型，模具內(nèi)徑為Φ =30mm，工作壓力為600MPa，制成Φ =30mm、厚3?5mm的圓塊；
[0062]隨后，將圓塊置于真空干燥箱中隨軍干燥箱升溫到100?120°C，保溫至少6小時再進(jìn)行燒結(jié)；
[0063]最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至IX10—1Pa或以上，升溫速率為 18°C/min，燒結(jié)工藝為600°C X2h+800°C X2h+1000°C X2h+1250°CX2h，最后隨爐冷卻。
[0064]采用上述步驟制得的T1-6.4S1-20Cu混合粉末機(jī)械合金化現(xiàn)象明顯，本實施例高能球磨后所得的T1-6.4S1-20Cu粉末的XRD衍射圖譜與圖2相近似，經(jīng)分析，除檢測到鈦硅化合物的生成，還有三種元素之間發(fā)生反應(yīng)生成新的化合物CuSiTi和Ti2Cu3;真空無壓燒結(jié)后得到的T1-6.4S1-20Cu合金的XRD衍射圖譜與圖4相近似，分析得，除檢測到Ti5SidPTi5Si4物相外，還出現(xiàn)CuSiTi和CuxTiy(主要為Cu2Ti)，說明Cu元素的添加改變了合金的相組成；T1-6.4S1-20Cu合金的顯氣孔率為0.15%，顯微硬度為1455服，彈性模量為85.616?&，斷裂韌性為4.50MPa.mV2，800°C下10h的平均氧化速度K+值為0.19g.m—2/h，氧化層厚度為15.81μηι，在lmol/L的HCl溶液中浸泡10h的平均腐蝕深度為7.9μηι，磨痕寬度為339μηι，磨損體積為 0.0145mm3。
[0065]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)加以實現(xiàn)。
【主權(quán)項】
1.一種Cu合金化的T1-8Si合金，其特征是它由Ti粉、Si粉和Cu粉復(fù)合而成，按Cu占復(fù)合粉體質(zhì)量的x%進(jìn)行配比，保持T1-8Si比例不變，其中，Ti粉:(92-0.92x)%，Si粉:(8-0.08x)%，Cu粉:x%，x的取值范圍為5~20，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。2.—種權(quán)利要求1所述的Cu合金化的T1-8Si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T1-(8-0.08x)S1-xCu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，Cu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(I)制備的混合粉末進(jìn)行壓制成型，得到壓塊； (3)真空無壓燒結(jié):將步驟(2)壓制成型的壓塊進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，使得Ti，Si，Cu進(jìn)一步合金化。3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是高能球磨的球磨工藝為:球料比(8?12):1，300?400 r/min球磨至少48 h，每球磨30 min停機(jī)10 min。4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是球磨后的復(fù)合粉料置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至60?80 °C后至少保溫4 h，過篩。5.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是壓制成型的工藝為:壓制時采用的工作壓力為550?600 MPa，壓塊為圓塊。6.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是燒結(jié)前將壓坯置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至100?120 °C后保溫至少6 ho7.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是真空無壓燒結(jié)的工藝為:抽真空至IX10—1Pa，升溫速率為 10?18 °C/min，燒結(jié)工藝為600 °C X 2 h+800 °C X 2 h+1000 °C X 2 h+1250°C X2 h，最后隨爐冷卻。
【文檔編號】C22C14/00GK106048306SQ201610684771
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月18日
【發(fā)明人】許曉靜, 吳劉軍, 仲奕穎, 劉慶輝, 陳婷卓, 韓天, 戈曉嵐
【申請人】江蘇大學(xué)