專(zhuān)利名稱(chēng)：鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種鈦合金加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法。
背景技術(shù)：
稀土元素用于鈦及鈦合金中的研究始于50年代。美國(guó)、蘇聯(lián)、日本、英國(guó)、中國(guó)等相繼開(kāi)展此類(lèi)研究。近年來(lái)，隨著鈦合金尤其是高溫鈦合金的發(fā)展，稀土在鈦合金中的應(yīng)用日益引人關(guān)注。然而，如何將稀土元素有效加入鈦合金中是制備高質(zhì)量含稀土鈦合金的關(guān)鍵問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外在熔煉含稀土元素的鈦合金時(shí)，多是采用純稀土或鋁稀土中間合金。但是稀土元素具有很高的化學(xué)活性，室溫下容易在空氣中發(fā)生氧化，一方面會(huì)給工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)的運(yùn)輸和儲(chǔ)藏帶來(lái)困難，另一方面也給精確控制材料實(shí)際成份帶來(lái)困難。并且純稀土熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈦的熔點(diǎn)，因此在熔煉過(guò)程中，稀土極易在海綿鈦之前熔化而優(yōu)先與氧原子結(jié)合而生成粗大的初生稀土氧化物顆粒。用鋁稀土中間合金來(lái)配制鈦合金，為使鋁稀土中間合金在室溫下不發(fā)生嚴(yán)重氧化，往往將稀土的含量控制在20％(重量百分比)以下，而鋁在中間合金的含量在80％以上。如此高鋁的中間合金，不可能被選作一般鋁含量不高的鈦合金的中間合金，尤其對(duì)配制含鉬、釩、鈮等的鈦合金，往往也是采用含這些元素的鋁合金作中間合金，以此中間合金方式加入鈦合金中，這樣會(huì)導(dǎo)致合金配料困難。另外，鋁稀土中間合金的韌性較好，不易破碎成塊狀，只能以車(chē)刨或車(chē)屑方式使用，這樣給鈦合金物料的準(zhǔn)備及電極壓制帶來(lái)不便。與此同時(shí)，這樣的中間合金方式加入對(duì)用固態(tài)方法(如粉末冶金或機(jī)械合金化)制備含稀土的鈦合金根本是不可能的。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，耿珂等人在《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》，2004年2月，第38卷，第2期，300-303，撰文“原位合成TiB和Nd2O3增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料”，該文獻(xiàn)以純Nd為原料之一制備了TiB和Nd2O3增強(qiáng)的鈦合金，其N(xiāo)d2O3顆粒粗大，且當(dāng)稀土含量較高時(shí)，容易球化和樹(shù)枝晶化，粗大的稀土氧化物成為材料脆性斷裂的裂紋源，導(dǎo)致材料性能的惡化。另外，最近以TiB強(qiáng)化的鈦合金已獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，但傳統(tǒng)上是以硼粉方式加入鈦合金中，然而高純硼粉價(jià)格昂貴，尤其在中國(guó)市場(chǎng)上很難獲得高純硼粉。對(duì)于耐熱鈦合金，添加稀土和硼元素實(shí)現(xiàn)提高鈦合金的耐熱性能，已成為目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)一步提高鈦合金的耐熱性能的一個(gè)主要研究方向。如前所述，稀土和硼元素的有效添加成了新型耐熱鈦合金研究、生產(chǎn)迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法。采用稀土硼化物中間合金的添加方式加入鈦合金中，控制含稀土鈦合金的微結(jié)構(gòu)，提高性能，并實(shí)現(xiàn)用固態(tài)方法制備含稀土鈦合金。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明方法具體為將稀土和硼元素以硼化稀土化合物或者以硼化稀土的混合物方式加入鈦合金中，加入時(shí)，使稀土元素的重量百分比占混合添加物的56％～91％，并利用攪拌混合的方法將其與海棉鈦或者是鈦粉末混合均勻，然后利用壓機(jī)或擠壓機(jī)制成電極，電極的致密度控制在75％-90％之間，最后利用液態(tài)或固態(tài)方法進(jìn)行加工，最終實(shí)現(xiàn)制備TiB和稀土氧化物強(qiáng)化的新型鈦合金。
所述的硼化稀土化合物，是指六硼化物、四硼化物或兩者的混合物。
所述的液態(tài)方法，是指鈦合金常用的真空自耗電弧熔煉、真空非自耗電弧熔煉、電子束冷床爐熔煉任一種方法。
所述的固態(tài)方法，是指粉末冶金方法或機(jī)械合金化方法。
所述的稀土元素，其重量百分比占混合添加物的優(yōu)選范圍是56％～83％。
所述的稀土元素，包含所有的鈰組和釔組元素，或混合稀土元素。
本發(fā)明為了有利于工業(yè)化生產(chǎn)并獲得較好的含稀土鈦合金的微觀組織，提出一種新的稀土添加方式來(lái)控制含稀土鈦合金的微結(jié)構(gòu)，提高性能，并實(shí)現(xiàn)用固態(tài)方法制備含稀土鈦合金。即本發(fā)明采用稀土硼化物中間合金的添加方式加入鈦合金。稀土硼化物為粉末狀，并且非常穩(wěn)定，因此配料簡(jiǎn)單，儲(chǔ)存方便。同時(shí)可簡(jiǎn)化和縮短鈦合金的生產(chǎn)流程，降低制備成本，適合批量生產(chǎn)。
本發(fā)明選用硼化稀土或者其混合物的方式加入鈦合金中具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)化合物在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，因而給其運(yùn)輸、儲(chǔ)存和鈦合金的生產(chǎn)帶來(lái)方便；(2)熔點(diǎn)高，有利于在熔煉加工時(shí)使稀土氧化物細(xì)小彌散分布，避免了傳統(tǒng)的純稀土直接用于配置鈦合金時(shí)，由于在空氣中即可發(fā)生嚴(yán)重氧化，因而使鈦合金鑄錠容易產(chǎn)生粗大的稀土氧化物夾雜等冶金缺陷；(3)研究表明，鈦基體中添加B元素會(huì)產(chǎn)生TiB陶瓷顆粒，TiB與鈦基體結(jié)合良好，能夠顯著提高鈦基體的機(jī)械性能，有望產(chǎn)生復(fù)合強(qiáng)化效應(yīng)，并且含硼的鈦合金也已獲得越來(lái)越多的應(yīng)用；(4)脆性物質(zhì)，呈粉末狀，有利于配料，并可以實(shí)現(xiàn)用固態(tài)方法(粉末冶金、機(jī)械合金化)制備含稀土鈦合金。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。以下各個(gè)實(shí)施例中原料硼化稀土化合物或者硼化稀土的混合物均為市售。
實(shí)施例1本實(shí)施例是在以下實(shí)施條件和技術(shù)要求條件下實(shí)施的利用真空自耗電弧熔煉方法制備2.5％(La2O3+TiB)/Ti合金。
按照配比稱(chēng)取一級(jí)海綿鈦(質(zhì)量百分比98.9％)、六硼化鑭(鑭在化合物中的質(zhì)量百分比為70％)粉末(質(zhì)量百分比1.1％)，將其混合均勻后，利用壓機(jī)壓制成棒狀電極(電極的致密度達(dá)到75％)，電極組焊后裝入真空自耗電弧爐(市售)中，對(duì)真空自耗電弧爐抽真空，工作真空度為0.1Pa，然后利用真空自耗電弧爐進(jìn)行熔煉，樣品熔煉二次，最后隨爐冷卻，制得TiB和稀土氧化鑭復(fù)合強(qiáng)化的鈦合金。
經(jīng)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施例方法制備合成的TiB和稀土氧化鑭非常細(xì)小，并且分布非常均勻。尤其是稀土氧化鑭尺寸達(dá)到納米級(jí)。而傳統(tǒng)的方法制備的TiB和稀土氧化鑭強(qiáng)化的鈦合金中，稀土氧化物的尺寸達(dá)到10微米級(jí)，并且分布不均勻。兩者比較，本實(shí)施例方法制備鈦合金性能分散度較小，強(qiáng)度、塑性都比用傳統(tǒng)方法制備的鈦合金提高15％以上。
實(shí)施例2本實(shí)施例是在以下實(shí)施條件和技術(shù)要求條件下實(shí)施的利用粉末冶金方法制備2.0％(Y2O3+TiB)/Ti-6Al-4V合金。
按照配比稱(chēng)取海綿鈦(質(zhì)量百分比89.5％)、六硼化釔(釔在化合物中的質(zhì)量百分比為56％)粉末(質(zhì)量百分比0.6％)，AlV(鋁和釩的質(zhì)量百分比50％)中間合金粉末(質(zhì)量百分比7.9％)和鋁粉(質(zhì)量百分比2.0％)，將其混合均勻后，利用壓機(jī)壓制成試樣(致密度達(dá)到90％)，裝入真空燒結(jié)爐(市售)中，對(duì)真空燒結(jié)爐抽真空，工作真空度為0.01Pa，在1350℃保溫兩小時(shí)，最后隨爐冷卻，制得TiB和稀土氧化釔復(fù)合強(qiáng)化的鈦合金。
經(jīng)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施例方法制備合成的TiB和稀土氧化釔非常細(xì)小，氧化釔的尺寸在納米級(jí)，并且分布非常均勻。比較發(fā)現(xiàn)用粉末冶金方法制備的含硼和稀土的鈦合金，其TiB和稀土氧化物比液態(tài)加工方法合成的增強(qiáng)相更為細(xì)小，并且致密度由95％提高到98％以上，強(qiáng)度、塑性都比用傳統(tǒng)方法制備的鈦合金提高12％以上。
實(shí)施例3本實(shí)施例是在以下實(shí)施條件和技術(shù)要求條件下實(shí)施的利用真空自耗電弧熔煉方法制備1.5％(La2O3+Ce2O3+TiB)/Ti1100合金。
按照配比稱(chēng)取海綿鈦(質(zhì)量百分比84.42％)、硼化稀土混合物L(fēng)aB6(鑭在化合物中的質(zhì)量百分比為70％)粉末(質(zhì)量百分比0.26％)和CeB4(鈰在化合物中的質(zhì)量百分比為91％)(質(zhì)量百分比0.26％)，鈦錫中間合金(其中錫質(zhì)量百分比為65％)(質(zhì)量百分比4.18％)，海綿鋯(質(zhì)量百分比4.02％)，純鋁(質(zhì)量百分比5.61％)，鋁鉬中間合金(鉬質(zhì)量百分比50％)(質(zhì)量百分比0.80％)，將其混合均勻后，利用壓機(jī)壓制成棒狀電極(電極致密度達(dá)到80％)，電極組焊后裝入真空自耗電弧爐中，對(duì)真空自耗電弧爐抽真空，工作真空度為0.01Pa，然后利用真空自耗電弧爐進(jìn)行熔煉，樣品熔煉二次，最后隨爐冷卻，制得TiB和稀土氧化物復(fù)合強(qiáng)化的鈦合金。
經(jīng)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施例方法制備合成的TiB和稀土氧化鈰、氧化鑭非常細(xì)小，并且分布非常均勻。稀土氧化物尺寸達(dá)到納米級(jí)。由于稀土氧化物非常細(xì)小，有效地強(qiáng)化了基體合金，經(jīng)測(cè)試表明室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度(高溫抗拉強(qiáng)度、蠕變、持久性能)至少比用傳統(tǒng)方法制備的成分相同的復(fù)合強(qiáng)化的鈦合金提高了12％，而塑性則提高了18％。
實(shí)施例4
本實(shí)施例是在以下實(shí)施條件和技術(shù)要求條件下實(shí)施的利用真空自耗電弧熔煉方法制備1.5％(La2O3+Ce2O3+TiB)/Ti1100合金。
配比中，取CeB4(鈰在化合物中的質(zhì)量百分比為83％)。其他條件同實(shí)施例3。經(jīng)顯微觀察發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施例方法制備合成的TiB和稀土氧化鈰、氧化鑭非常細(xì)小，并且分布非常均勻。稀土氧化物尺寸達(dá)到納米級(jí)。由于稀土氧化物非常細(xì)小，有效地強(qiáng)化了基體合金，經(jīng)測(cè)試表明室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度(高溫抗拉強(qiáng)度、蠕變、持久性能)至少比用傳統(tǒng)方法制備的成分相同的復(fù)合強(qiáng)化的鈦合金提高了15％，而塑性則提高了20％。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法，其特征在于，具體為將稀土和硼元素以硼化稀土化合物或者以硼化稀土的混合物方式加入鈦合金中，加入時(shí)，使稀土元素的重量百分比占混合添加物的56％～91％，并利用攪拌混合的方法將其與海棉鈦或者是鈦粉末混合均勻，然后利用壓機(jī)或擠壓機(jī)制成電極，電極的致密度控制在75％-90％之間，最后利用液態(tài)或固態(tài)方法進(jìn)行加工，最終實(shí)現(xiàn)制備TiB和稀土氧化物強(qiáng)化的鈦合金。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法，其特征是，所述的硼化稀土化合物，是指六硼化物、四硼化物或兩者的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法，其特征是，所述的液態(tài)方法，是指鈦合金常用的真空自耗電弧熔煉、真空非自耗電弧熔煉、電子束冷床爐熔煉任一種方法。
4.如權(quán)利要求1所述的鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法，其特征是，所述的固態(tài)方法，是指粉末冶金方法或機(jī)械合金化方法。
5.如權(quán)利要求1所述的鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法，其特征是，所述的稀土元素，其重量百分比占混合添加物的56％～83％。
6.如權(quán)利要求5所述的鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法，其特征是，所述的稀土元素，包含所有的鈰組和釔組元素，或混合稀土元素。
全文摘要
一種鈦合金中稀土和硼元素的混合加入方法，屬于鈦合金加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法具體為將稀土和硼元素以硼化稀土化合物方式或者以硼化稀土的混合物方式加入鈦合金中，加入時(shí)，使稀土元素的重量百分比占混合添加物的56％～91％，并利用攪拌混合的方法將其與海綿鈦或者是鈦粉末混合均勻，然后利用壓機(jī)或擠壓機(jī)制成電極，電極的致密度控制在75％－90％之間，最后利用液態(tài)或固態(tài)方法進(jìn)行加工，最終實(shí)現(xiàn)制備TiB和稀土氧化物強(qiáng)化的新型鈦合金。本發(fā)明的稀土硼化物為粉末狀，并且非常穩(wěn)定，因此配料簡(jiǎn)單，儲(chǔ)存方便?？珊?jiǎn)化和縮短鈦合金的生產(chǎn)流程，降低制備成本，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C14/00GK101070570SQ200710041968
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者呂維潔, 覃繼寧, 肖旅, 陳一飛, 張荻 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)