一种Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金及其制备方法技术

一种Zr、Y2O3合金化的Ti‑4Si/5TiO2合金及其制备方法，其特征在于：它的制备原料为Ti粉、Si粉、Zr粉、纳米TiO2粉末和纳米Y2O3粉末；制备方法为首先，将Ti粉、Si粉、Zr粉、纳米TiO2粉末和纳米Y2O3粉末混合均匀后进行高能球磨，使其部分合金化，再将球磨所得的粉料过筛，干燥，然后将干燥的粉料通过模压成型制成压块，最后通过真空无压烧结，使其充分合金化。本发明专利技术提供的Ti‑4Si‑1.3Zr‑0.3Y2O3/5TiO2合金的致密性、综合力学性能、抗高温氧化性、耐热腐蚀性和耐磨性等均有一定程度的提高，在航空航天发动机领域具有广泛的应用前景。

A Ti-4Si/5Ti_2 Alloy Alloyed with Zr and Y2O_3 and Its Preparation Method

A Zr and Y2O3 alloyed Ti_4Si/5titanium dioxide alloy and its preparation method are characterized by: its raw materials are Ti powder, Si powder, Zr powder, nano-sized titanium dioxide powder and nano-sized Y2O3 powder; the preparation method is as follows: firstly, Ti powder, Si powder, Zr powder, nano-sized titanium dioxide powder and nano-sized Y2O3 powder are mixed evenly, then high energy ball milling is carried out to make part of the alloy, and then the powder obtained by ball milling is sieved. After drying, the dried powders are molded into compacts, and then sintered in vacuum without pressure to make them fully alloyed. The Ti_4Si_1.3Zr_0.3Y2O3/5titanium dioxide alloy provided by the invention has a certain degree of improvement in compactness, comprehensive mechanical properties, high temperature oxidation resistance, heat corrosion resistance and wear resistance, and has a wide application prospect in the field of aerospace engines.

【技术实现步骤摘要】
一种Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金及其制备方法
本专利技术涉及Ti-4Si/5TiO2合金，尤其是Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法，具体地说，是一种提高其致密性、综合力学性能、抗高温氧化性能、抗热腐蚀性能和摩擦磨损性能的钛硅系金属合金材料的制备方法。
技术介绍
由于钛合金具有耐腐蚀、耐高温、比强度高、比刚度高等优点，制备高性能的钛合金具有较高的研究价值。钛合金在国防科技、医疗器、海洋工程等领域，有广阔的应用前景。目前钛合金主要应用于航空航天领域，在高温环境下，钛合金具有优越的综合性能，比如抗高温氧化、抗高温热腐蚀等，是航空发动机零部件的重要结构材料。如今，对于传统的高温钛合金而言，其使用温度仍旧限制在650℃以下，相对应材料性能、力学性能、抗高温氧化、抗腐蚀等性能并没有显著地提高，这主要是由于材料的高温稳定性，有效强化及强韧性匹配等问题的限制。Ti-Si复合材料凭借高熔点、高硬度的优点在诸多领域被广泛使用，具有优秀的研究价值。在钛基复合材料中添加单质Si，其氧化物SiO2可以在材料表面形成致密的氧化膜，降低氧化速率，显著提高复合材料的抗氧化性能，同时可以起到弥散强化和细晶强化的作用，显著提高材料的强度。目前已有的Ti-8Si合金虽然耐高温性能优秀，但是韧性低。降低Si含量可以使材料同时具备较好的耐高温性能与较高的韧性。因此本专利技术选用4wt.％Si含量的Ti-4Si系列复合材料为基础试样。而且纳米TiO2的加入可以形成抗高温氧化的固溶体，提高材料的抗高温氧化性能。Zr起到固溶强化作用，其中Ti-Si-Zr固溶体可以提高复合材料的抗蠕变性能。对Ti-Si体系α相和β相影响小，可以起到一定的固溶强化作用，且研究发现(Ti、Zr)5Si3对高温钛合金的抗蠕变性能有利。此外，由于稀土元素或是稀土氧化物具有稀土活性效应，可以起到一定地细化晶粒的功能；同时稀土元素或其氧化物弥散的分布于材料中，阻碍位错，起到弥散强化作用，改善合金的使用性能。迄今为止，尚未有一种具有自主知识产权的一种Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法可供使用，这在一定程度上制约了我国航空航天发动机的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的针对现有Ti-Si存在的高温韧性差的问题，专利技术一种耐高温性能与韧性及抗蠕变能力强的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金，同时提供一种“高能球磨-模压成型-真空无压烧结”制备方法，，它通过添加金属元素Zr和稀土氧化物Y2O3，制备得到综合性能较好的，钛硅化合物含量高的钛合金材料。本专利技术的技术方案之一是：一种Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法，其特征在于制备的Ti-4Si-xZr-yY2O3/5TiO2合金粉末的组分是以质量百分比计算，其中，Ti粉：(91-x-y)wt.％，Si粉：4wt.％，Zr粉：xwt.％，纳米TiO2粉：5wt.％，纳米Y2O3粉：ywt.％，各组份的质量百分比之和为100％，其中x的取值范围为1-1.5，y的取值范围为0.1-0.5。本专利技术的技术方案之二是：一种Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法，其特征是它主要包括以下几个步骤：(1)高能球磨混粉：按成份先配制Ti-4Si-xZr-yY2O3/5TiO2混合粉末，放入球磨罐，置于球磨机内以一定球磨参数球磨，使得Ti、S、Zr三种单质粉末，纳米TiO2粉末以及纳米Y2O3粉末部分合金化，将球磨后所得混合粉末过筛，置于真空干燥箱内烘干；(2)常规模压成型：将步骤(1)制备的混合粉末进行压制成型，得到压块；(3)真空无压烧结：将步骤(2)压制成型的压块进行真空无压烧结，使得Ti、Si、Zr、TiO2和Y2O3进一步合金化。所述的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法中步骤(1)所述球磨工艺为：球料比8:1，300r/min球磨48h，球磨1h停机15min。所述的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法中步骤(1)所述干燥方法为：将复合粉料置于真空干燥箱，随干燥箱升温至60℃后保温4h，过300目筛。所述的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法中步骤(2)所述模压工艺为：压制时采用的工作压力为550MPa，压块为φ＝30mm、厚3～5mm的圆块。所述的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法中步骤(3)所述烧结工艺为：抽真空至1×10-1Pa，升温速率为10℃/min，烧结工艺为600±10℃×2h+800±10℃×2h+1000±10℃×2h+1250±10℃×2h，最后随炉冷却。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术创新性地提出一种“高能球磨-模压成型-真空无压烧结”粉末冶金工艺，在混粉阶段通过高能球磨使Ti、Si、Zr三种单质粉末,纳米TiO2粉末以及纳米Y2O3粉末部分合金化，在烧结过程中，进一步合金化，与普通粉末冶金工艺相比，本工艺使得四种混合粉末合金化更加充分，为钛金属提供了一种可工业化生产的制备方法。(2)本专利技术提供的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法操作简单、易实现，经济性优良。(3)本专利技术制备的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金材料相较于普通的Ti-4Si/5TiO2金属合金材料，其致密性，综合力学性能、抗高温氧化性，耐热腐蚀性和耐摩擦磨损性能等均有不同程度的提高。(4)很好地解决了高温钛合金难以突破650℃的应用环境的难题。(5)本专利技术不仅适用于Ti-4Si/5TiO2系钛合金的制备，还适用于各种型号钛材的制备，为钛合金材料的专利技术提供了更多的信息和理论依据。附图说明图1是本专利技术对比例中球磨后Ti-4Si/5TiO2粉末的XRD图；图2是本专利技术对比例中球磨后Ti-4Si/5TiO2粉末的SEM图；图3是本专利技术实施例中球磨后Ti-4Si-1.3Zr-0.3Y2O3/5TiO2粉末的XRD图；图4是本专利技术实施例中球磨后Ti-4Si-1.3Zr-0.3Y2O3/5TiO2粉末的SEM图；图5是本专利技术对比例中烧结后Ti-4Si/5TiO2合金的XRD图；图6是本专利技术对比例中烧结后Ti-4Si/5TiO2合金的SEM图；图7是本专利技术实施例中烧结后Ti-4Si-1.3Zr-0.3Y2O3/5TiO2合金的XRD图；图8是本专利技术实施例中烧结后Ti-4Si-1.3Zr-0.3Y2O3/5TiO2合金的SEM图；图9是本专利技术实施例和对比例在900℃，1000℃和1100℃下的氧化动力学曲线；图10是本专利技术实施例和对比例在750℃的25％NaCl+75％Na2SO4熔盐中腐蚀30h的动力学曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明，但本专利技术不仅限于实施例。实施例1。一种Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金，Ti-4Si-1.3Zr-0.3Y2O3/5TiO2的制备方法：首先，配制30g的Ti、Si、Zr单质粉末，纳米TiO2粉末以及纳米Y2O3粉末的混合粉末，其中Ti粉89.4wt.％(26.82g)，Si粉4wt.％(1.2g)，Zr粉1.3wt.％(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Zr、Y2O3合金化的Ti‑4Si/5TiO2合金，其特征是：Ti‑4Si‑xZr‑yY2O3/5TiO2合金粉末的组分是以质量百分比计算，其中，Ti粉：(91‑x‑y)wt.％，Si粉：4wt.％，Zr粉：xwt.％，纳米TiO2粉：5wt.％，纳米Y2O3粉：ywt.％，各组份的质量百分比之和为100％，其中x的取值范围为1‑1.5，y的取值范围为0.1‑0.5。

【技术特征摘要】
1.一种Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金，其特征是：Ti-4Si-xZr-yY2O3/5TiO2合金粉末的组分是以质量百分比计算，其中，Ti粉：(91-x-y)wt.％，Si粉：4wt.％，Zr粉：xwt.％，纳米TiO2粉：5wt.％，纳米Y2O3粉：ywt.％，各组份的质量百分比之和为100％，其中x的取值范围为1-1.5，y的取值范围为0.1-0.5。2.一种权利要求1所述的Zr、Y2O3合金化的Ti-4Si/5TiO2合金的制备方法，其特征是它包括以下步骤：(1)高能球磨混粉：按成份先配制Ti-4Si-xZr-yY2O3/5TiO2混合粉末，放入球磨罐，置于球磨机内以一定球磨参数球磨，使得Ti、Si、Zr三种单质粉末，纳米TiO2粉末以及纳米Y2O3粉末部分合金化，将球磨后所得混合粉末过筛，置于真空干燥箱内烘干；(2)常规模压成型：将步骤(1)制备的混合粉末进行压制成型，得到压块；(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：许晓静，李冲，史小冬，赵倩，王赛甫，蔡成彬，黄锦栋，居士浩，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32