本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)，尤其是一種Ti-8Si合金材料的Zr合金化優(yōu)化技術(shù)，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Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr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蟆：娇蘸教焓氢伜辖鹩昧孔畲蟮念I(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)(≥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，具有較高的價值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的鈦硅合金整體性能不高的問題，發(fā)明一種采用“高能球磨-模壓成型-真空無壓燒結(jié)”制備鈦硅鋯合金的方法，并通過添加納米Y₂O₃粉末，獲得綜合性能較好的，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Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金，其特征在于制備的Ti-8Si-1.4Zr-xY₂O₃合金粉末的組分是以質(zhì)量百分比計算，其中，Ti粉：(90.6-x)wt.％，Si粉：8wt.％，Zr粉：1.4wt.％，納米Y₂O₃粉末：xwt.％，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Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金制備方法，其特征是它主要包括以下步驟：

(1)高能球磨混粉：按成份先配制Ti-8Si-1.4Zr-xY₂O₃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和納米Y₂O₃粉末四種粉末部分合金化，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，Zr和Y₂O₃進(jìn)一步合金化。

所述的高能球磨的球磨工藝為：球料比(8～12):1，300～400r/min球磨至少48h，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：壓制時采用的工作壓力為550～650MPa，壓塊為圓塊。

在燒結(jié)前將壓坯置于真空干燥箱，隨干燥箱升溫至100～120℃后保溫至少6h。

所述的真空無壓燒結(jié)的工藝為：抽真空至1×10^-1Pa，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和納米Y₂O₃粉末四種粉末部分合金化，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，本工藝使得四種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Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金及其制備方法操作簡單、易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良。

(3)本發(fā)明制備的Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr系金屬合金材料相較于普通的Ti-8Si-1.4Zr金屬合金材料，其致密性、斷裂韌性和抗氧化性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-1.4Zr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

圖1是本發(fā)明對比例中球磨后Ti-8Si-1.4Zr粉末的XRD衍射圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中球磨后Ti-8Si-1.4Zr-0.1Y₂O₃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-0.3Y₂O₃粉末的XRD衍射圖；

圖4是本發(fā)明對比例中燒結(jié)后Ti-8Si-1.4Zr合金的XRD衍射圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中燒結(jié)后Ti-8Si-1.4Zr-0.1Y₂O₃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-1.4Zr-0.3Y₂O₃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、4、5所示。

一種Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金：Ti-8Si-1.4Zr-0.1Y₂O₃的由以下方法制備而成：

首先，配制30g的Ti，Si，Zr和納米Y₂O₃粉末的混合粉末，其中Ti粉90.5wt.％(27.15g)，Si粉8wt.％(2.4g)，Zr粉1.4wt.％(0.42g)，納米Y₂O₃粉末0.1wt.％(0.03g)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，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60～80℃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100～120℃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-1.4Zr-0.1Y₂O₃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-1.4Zr-0.1Y₂O₃粉末的XRD衍射圖譜，經(jīng)分析，含有Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂以及Ti₂Zr和Zr₃Si₂等化合物，Ti₅Si₄的衍射峰強(qiáng)度比TiSi₂的衍射峰強(qiáng)度略高，表明Y₂O₃能夠推動化合物間的轉(zhuǎn)化；圖5為真空無壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-1.4Zr-0.1Y₂O₃合金的XRD衍射圖譜，分析得，其Ti₅Si₃相衍射峰的匹配性好，其含量可能高，同時，此配方中無TiSi、TiSi₂相，說明合金化較為充分，轉(zhuǎn)化較為徹底；Ti-8Si-1.4Zr-0.1Y₂O₃合金的顯氣孔率為0.964％，斷裂韌性為5.87MPa·m^1/2，900℃時的平均氧化速度K⁺值為0.479g·m^-2/h。

實(shí)施例2。

如圖1、3、4、6所示。

一種Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金：Ti-8Si-1.4Zr-0.3Y₂O₃的制備方法：

本實(shí)施例與實(shí)施例1類同，不同之處在于將Y₂O₃粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.1wt.％(0.03g)提高至0.3wt.％(0.09g)，相應(yīng)地，Ti粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由90.5wt.％(27.15g)降低至90.3wt.％(27.09g)。

采用上述步驟制得的Ti-8Si-1.4Zr-0.3Y₂O₃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-0.3Y₂O₃粉末的XRD衍射圖譜，經(jīng)分析，含有Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂以及Ti₂Zr和Zr₃Si₂等化合物，Ti₅Si₄的衍射峰強(qiáng)度比TiSi₂的衍射峰強(qiáng)度略高，表明Y₂O₃能夠推動化合物間的轉(zhuǎn)化；圖6為真空無壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-1.4Zr-0.3Y₂O₃合金的XRD衍射圖譜，分析得，配方中Ti₅Si₄、Zr₅Si₃或Zr₃Si₂相衍射峰稍強(qiáng)，并含有TiSi₂相；Ti-8Si-1.4Zr-0.3Y₂O₃合金的顯氣孔率為0.922％，斷裂韌性為10.97MPa·m^1/2，900℃時的平均氧化速度K⁺值為0.351g·m^-2/h。

對比例

Ti-8Si-1.4Zr合金的制備方法

圖1為高能球磨后Ti-8Si-1.4Zr粉末的XRD衍射圖譜，化合物的組分與實(shí)施例基本相同；圖4為真空無壓燒結(jié)后Ti-8Si合金的XRD衍射圖譜，各衍射峰強(qiáng)度較高；Ti-8Si-1.4Zr合金的顯氣孔率為1.19％，斷裂韌性為5.6MPa·m^1/2，900℃下100h的平均氧化速度K⁺值為0.558g·m^-2/h。

將實(shí)施例一、二與對比例對比發(fā)現(xiàn)，添加金屬納米Y₂O₃粉末進(jìn)行合金化之后制得的Ti-8Si-1.4Zr-xY₂O₃合金的綜合性能比Ti-8Si-1.4Zr好，其中，Ti-8Si-1.4Zr-0.3Y₂O₃合金的致密性、斷裂韌性及抗氧化性最好，顯氣孔率比Ti-8Si-1.4Zr合金降低了22.5％(0.922％VS 1.19％)，斷裂韌性比Ti-8Si-1.4Zr合金提高了95.9％(10.97MPa·m^1/2VS 5.6MPa·m^1/2)。900℃下100h的平均氧化速度K⁺值比Ti-8Si合金降低了37.1％(0.558g·m^-2/h VS 0.351g·m^-2/h)。

實(shí)施例3。

一種Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金：Ti-8Si-1.4Zr-1Y₂O₃的由以下方法制備而成：

首先，配制30g的Ti，Si，Zr和納米Y₂O₃粉末的混合粉末，其中Ti粉89.6wt.％(26.88g)，Si粉8wt.％(2.4g)，Zr粉1.4wt.％(0.42g)，納米Y₂O₃粉末1wt.％(0.3g)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，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350r/min，球磨1h停機(jī)15min，球磨50h后，取出球磨罐中的粉料；

進(jìn)一步地，將取出的混合粉末置于真空干燥箱中加熱至60～80℃之間保溫至少4小時，然后過300目篩，得到顆粒度均勻的粉料；

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；制成圓塊后最好是將圓塊置于真空干燥箱中升溫至120℃后保溫至少6小時再進(jìn)行最后的燒結(jié)

最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至1×10^-1Pa，升溫速率為15℃/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-1.4Zr-1Y₂O₃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-1.4Zr-1Y₂O₃粉末的XRD衍射圖譜與圖2相近似，經(jīng)分析，含有Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂以及Ti₂Zr和Zr₃Si₂等化合物，Ti₅Si₄的衍射峰強(qiáng)度比TiSi₂的衍射峰強(qiáng)度略高，表明Y₂O₃能夠推動化合物間的轉(zhuǎn)化；真空無壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-1.4Zr-1Y₂O₃合金的XRD衍射圖譜與圖5相近似，分析可得，其Ti₅Si₃相衍射峰的匹配性好，其含量可能高，同時，此配方中無TiSi、TiSi₂相，說明合金化較為充分，轉(zhuǎn)化較為徹底；Ti-8Si-1.4Zr-1Y₂O₃合金的顯氣孔率為0.974％，斷裂韌性為5.77MPa·m^1/2，900℃時的平均氧化速度K⁺值為0.489g·m^-2/h。

實(shí)施例4。

一種Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金：Ti-8Si-1.4Zr-2.5Y₂O₃的由以下方法制備而成：

首先，配制30g的Ti，Si，Zr和納米Y₂O₃粉末的混合粉末，其中Ti粉88.1wt.％(26.43g)，Si粉8wt.％(2.4g)，Zr粉1.4wt.％(0.42g)，納米Y₂O₃粉末2.5wt.％(0.75g)將混合粉末置于燒杯中攪拌均勻；

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；

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1h停機(jī)15min，球磨50h后，取出球磨罐中的粉料；

進(jìn)一步地，將取出的混合粉末置于真空干燥箱中加熱至60～80℃之間保溫至少4小時，然后過300目篩，得到顆粒度均勻的粉料；

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650MPa，制成φ＝30mm、厚3～5mm的圓塊；制成圓塊后最好是將圓塊置于真空干燥箱中升溫至110℃后保溫至少6小時再進(jìn)行最后的燒結(jié)；

最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至1×10^-1Pa，升溫速率為12℃/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-1.4Zr-2.5Y₂O₃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-1.4Zr-2.5Y₂O₃粉末的XRD衍射圖譜與圖2相近似，經(jīng)分析，含有Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂以及Ti₂Zr和Zr₃Si₂等化合物，Ti₅Si₄的衍射峰強(qiáng)度比TiSi₂的衍射峰強(qiáng)度略高，表明Y₂O₃能夠推動化合物間的轉(zhuǎn)化；真空無壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-1.4Zr-2.5Y₂O₃合金的XRD衍射圖譜與圖5相近似，分析可得，其Ti₅Si₃相衍射峰的匹配性好，其含量可能高，同時，此配方中無TiSi、TiSi₂相，說明合金化較為充分，轉(zhuǎn)化較為徹底；Ti-8Si-1.4Zr-2.5Y₂O₃合金的顯氣孔率為0.978％，斷裂韌性為5.70MPa·m^1/2，900℃時的平均氧化速度K⁺值為0.499g·m^-2/h。

實(shí)施例5。

一種Y₂O₃合金化的Ti-8Si-1.4Zr合金：Ti-8Si-1.4Zr-5Y₂O₃的由以下方法制備而成：

首先，配制30g的Ti，Si，Zr和納米Y₂O₃粉末的混合粉末，其中Ti粉85.6wt.％(25.68g)，Si粉8wt.％(2.4g)，Zr粉1.4wt.％(0.42g)，納米Y₂O₃粉末5wt.％(1.5g)將混合粉末置于燒杯中攪拌均勻；

其次，按照球料比9:1先稱量270g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350r/min，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，將取出的混合粉末置于真空干燥箱中加熱至60～80℃之間保溫至少4小時，然后過300目或以上的篩，得到顆粒度均勻的粉料；

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；制成圓塊后最好是將圓塊置于真空干燥箱中升溫至100℃后保溫6小時以上再進(jìn)行最后的燒結(jié)

最后，將所得壓塊置于雙室真空燒結(jié)爐中進(jìn)行真空無壓燒結(jié)，先將爐內(nèi)抽真空至1×10^-1Pa，升溫速率為15℃/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-1.4Zr-5Y₂O₃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-1.4Zr-5Y₂O₃粉末的XRD衍射圖譜與圖2相近似，經(jīng)分析，含有Ti₅Si₄、TiSi和TiSi₂以及Ti₂Zr和Zr₃Si₂等化合物，Ti₅Si₄的衍射峰強(qiáng)度比TiSi₂的衍射峰強(qiáng)度略高，表明Y₂O₃能夠推動化合物間的轉(zhuǎn)化；真空無壓燒結(jié)后得到的Ti-8Si-1.4Zr-5Y₂O₃合金的XRD衍射圖譜與圖5相近似，分析可得，其Ti₅Si₃相衍射峰的匹配性好，其含量可能高，同時，此配方中無TiSi、TiSi₂相，說明合金化較為充分，轉(zhuǎn)化較為徹底；Ti-8Si-1.4Zr-5Y₂O₃合金的顯氣孔率為0.975％，斷裂韌性為5.71MPa·m^1/2，900℃時的平均氧化速度K⁺值為0.497g·m^-2/h。

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)。