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，使其充分合金化。本發明提供的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域具有廣泛的應用前景。
【專利說明】
一種Cu合金化的T 1-8S i合金及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種材料技術，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】
[0002]由于鈦合金擁有比強度高、比剛度高、耐蝕等有益性能，所以，未來幾十年，我國的大飛機工程、艦船及未來海洋開發、高性能發動機、新型戰機、載人航天工程、探月工程、航空、超音速巡航導彈、探海工程、新一代武裝直升機、國民經濟工業以及提高人民生活質量的醫療器械用具等領域對鈦合金的需求越來越大。航空航天是鈦合金用量最大的領域之一。高推比航空、航天氫氧發動機和巡航導彈的發展要求研制性能更好的鈦合金，包括高強(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、組織構成，從而優化含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]中北大學的黃莎在《Cu-T1-Si體系自蔓延高溫合成Ti5Si3的反應機理及電子結構研究》一文中公開了高溫條件下通過自蔓延試驗探究了 Cu-T1-Si體系的反應形成時發現此體系的主要產物是Ti5Si3,但是由于此方法的合成時間極短，在合成反應的過程中存在較高的反應熱梯度，快速冷凝時易產生一些TiSi2、Cu3S1、Cu9Si這些不穩定相、復雜相等問題，再加上燃燒反應時難免會產生氣體溢出問題導致氣孔率偏高等問題，進而影響合成材料的整體性能。

【發明內容】

[0005]本發明針對現有的銅合金化鈦娃合金整體性能不高的問題，發明一種“高能球磨_模壓成型-真空無壓燒結”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]本發明的技術方案之一是:
[0007]—種Cu合金化的Ti_8Si合金，其特征在于它由Ti粉、Si粉和Cu粉復合而成，制備的T1-(8-0.08x)S1-xCu合金粉末的組分是以質量百分比計算，保持T 1-8 S i比例不變，按Cu占復合粉體質量的x%進行配比，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，各組份的質量百分比之和為100%。
[0008]本發明的技術方案之二是:
[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，置于球磨機內以一定球磨參數球磨，使得Ti，Si，Cu三種單質粉末部分合金化，將球磨后所得混合粉末過篩，置于真空干燥箱內烘干；
[0011](2)常規模壓成型:將步驟(I)制備的混合粉末進行壓制成型，得到壓塊；
[0012](3)真空無壓燒結:將步驟(2)壓制成型的壓塊進行真空無壓燒結，使得Ti，Si，Cu
進一步合金化。
[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)所述燒結工藝為:抽真空至IX10—1Pa,升溫速率為 10?18°C/min，燒結工藝為600°C X2h+800°C X2h+1000°C X2h+1250°CX2h，最后隨爐冷卻。
[0018]本發明的有益效果是:
[0019](I)本發明創新性地提出一種“高能球磨-模壓成型-真空無壓燒結”粉末冶金工藝，在混粉階段通過高能球磨使Ti，Si，Cu三種單質粉末部分合金化，在燒結過程中，進一步合金化，與普通粉末冶金工藝相比，本工藝使得三種單質粉末合金化更加充分，為鈦金屬提供了一種可工業化生產的制備方法。
[0020 ] (2)本發明提供的Cu合金化的T 1-8S i合金的制備方法操作簡單、易實現，經濟性優良。
[0021](3)本發明制備的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的應用環境的難題。
[0023](5)本發明不僅適用于T1-SSi系鈦合金的制備，還適用于各種型號鈦材的制備，為鈦合金材料的發明提供了更多的信息和理論依據。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明對比例中球磨后Ti_8Si粉末的XRD衍射圖；
[0025]圖2是本發明實施例中球磨后T1-7.6Si_5Cu粉末的XRD衍射圖；
[0026]圖3是本發明對比例中燒結后Ti_8Si合金的XRD衍射圖；
[0027]圖4是本發明實施例中燒結后T1-7.6Si_5Cu合金的XRD衍射圖；
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明，但本發明不僅限于實施例。
[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上，開始球磨，球磨參數設置為300r/min，球磨30min停機lOmin，求磨48h后，取出球磨罐中的粉料；
[0035]進一步地，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行壓制成型，模具內徑為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爐中進行真空無壓燒結，先將爐內抽真空至IX 10—1Pa,升溫速率為 10°C/min，燒結工藝為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混合粉末機械合金化現象明顯，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，經分析，除檢測到鈦硅化合物的生成，還有三種元素之間發生反應生成新的化合物CuSiTi和Ti2Cu3;圖4為真空無壓燒結后得到的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現，添加金屬Cu粉末進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上，開始球磨，球磨參數設置為350r/min，每球磨30min停機lOmin，球磨50h后，取出球磨罐中的粉料；
[0050]進一步地，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行壓制成型，模具內徑為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爐中進行真空無壓燒結，先將爐內抽真空至IX10—1Pa或以上，升溫速率為 15°C/min，燒結工藝為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混合粉末機械合金化現象明顯，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，經分析，除檢測到鈦硅化合物的生成，還有三種元素之間發生反應生成新的化合物CuSiTi和Ti2Cu3;真空無壓燒結后得到的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上，開始球磨，球磨參數設置為400r/min，球磨30min停機lOmin，球磨55h后，取出球磨罐中的粉料；
[0060]進一步地，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行壓制成型，模具內徑為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小時再進行燒結；
[0063]最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結爐中進行真空無壓燒結，先將爐內抽真空至IX10—1Pa或以上，升溫速率為 18°C/min，燒結工藝為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混合粉末機械合金化現象明顯，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，經分析，除檢測到鈦硅化合物的生成，還有三種元素之間發生反應生成新的化合物CuSiTi和Ti2Cu3;真空無壓燒結后得到的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]本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種Cu合金化的T1-8Si合金，其特征是它由Ti粉、Si粉和Cu粉復合而成，按Cu占復合粉體質量的x%進行配比，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，各組分的質量百分比之和為100%。2.—種權利要求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，置于球磨機內以一定球磨參數球磨，使得Ti，Si，Cu三種單質粉末部分合金化，將球磨后所得混合粉末過篩，置于真空干燥箱內烘干； (2)常規模壓成型:將步驟(I)制備的混合粉末進行壓制成型，得到壓塊； (3)真空無壓燒結:將步驟(2)壓制成型的壓塊進行真空無壓燒結，使得Ti，Si，Cu進一步合金化。3.如權利要求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10 min。4.如權利要求2所述的制備方法，其特征是球磨后的復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.如權利要求2所述的制備方法，其特征是燒結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.如權利要求2所述的制備方法，其特征是真空無壓燒結的工藝為:抽真空至IX10—1Pa，升溫速率為 10?18 °C/min，燒結工藝為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