一种Zr-Ti-X合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种Zr‑Ti‑X合金及其制备方法和应用，属于金属材料制备技术领域。本发明专利技术提供的Zr‑Ti‑X合金，包括Zr、Ti和X元素：所述Zr和Ti元素的质量比为1～9：1～9；所述X元素包括C、B或Si，所述X元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％。本发明专利技术添加的X元素以间隙固溶体和第二相的状态弥散分布于Zr‑Ti基合金中，通过调控Zr和Ti的比例，以及掺杂X元素的含量，在不大幅损失Zr‑Ti基合金塑性的同时提高Zr‑Ti基合金的强度的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种Zr-Ti-X合金及其制备方法和应用
本专利技术属于金属材料制备
，尤其涉及一种Zr-Ti-X合金及其制备方法和应用。
技术介绍
Ti与Zr是同族元素，根据热力学关系，二者之间能够形成无限固溶体，通过固溶强化作用，有效提高Zr-Ti基合金材料的强度，同时通过调控Zr/Ti的元素比例，从而实现对Zr-Ti基合金材料强塑性的调控，使Zr-Ti基合金在航空航天、生物医用和体育器材等结构件领域表现出良好的应用前景。而空间结构件的材料一般要求强度较高，一般屈服强度>1200MPa。然而，仅通过Zr和Ti两组元间的固溶强化的技术手段来改善Zr-Ti基合金强度是极其有限，如：50Zr-50Ti合金具有最佳的固溶强化作用，但其强度仅能达到约1000MPa，难以满足Zr-Ti基合金材料作为空间结构件使用的条件。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种Zr-Ti-X合金及其制备方法和应用，本专利技术提供的Zr-Ti-X合金具有更高强度，能够满足Zr-Ti基合金材料作为空间结构件使用的条件。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：本专利技术提供了一种Zr-Ti-X合金，包括Zr、Ti和X元素：所述Zr和Ti元素的质量比为1～9：1～9；所述X元素包括C、B或Si，所述X元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％。优选地，当所述X元素为C时，所述C元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.5～12％；当所述X元素为B时，所述B元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％；当所述X元素为Si时，所述Si元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.5～12％。本专利技术还提供了上述技术方案所述Zr-Ti-X合金的制备方法，包括以下步骤：将Zr源粉末、Ti源粉末和X源粉末混合，得到混合粉末；将所述混合粉末压制成型，得到成型坯体；在真空或惰性气氛中，将所述成型坯体烧结，得到所述Zr-Ti-X合金。优选地，所述Zr源粉末包括Zr粉末和/或ZrH2粉末。优选地，所述Ti源粉末包括Ti粉末和/或TiH2粉末。优选地，所述烧结包括依次进行的第一烧结、第二烧结和第三烧结；所述第一烧结的温度为200～300℃，保温时间为0.5～1h，由室温升温至所述第一烧结的温度的升温速率为5～10℃/min；所述第二烧结的温度为600～900℃，保温时间为1～3h，由所述第一烧结的温度升温至所述第二烧结的温度的升温速率为5～10℃/min；所述第三烧结的温度为1300～1500℃，保温时间为2～5h，由所述第二烧结的温度升温至所述第三烧结的温度的升温速率为5～10℃/min。优选地，所述压制的压力为200～400MPa，保压时间为5～70min。优选地，所述Zr源粉末、Ti源粉末和X源粉末的粒径独立地为10～45μm。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制得的Zr-Ti-X合金在空间结构件中的应用。优选地，所述空间结构件包括齿轮、滑道、轴承或分离机构卡环。本专利技术提供的Zr-Ti-X合金，包括Zr、Ti和X元素：所述Zr和Ti元素的质量比为1～9：1～9；所述X元素包括C、B或Si，所述X元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％。本专利技术添加的X元素以间隙固溶体和第二相的状态弥散分布于Zr-Ti基合金中，通过调控Zr和Ti的比例，以及掺杂X元素的含量，在不大幅损失Zr-Ti基合金塑性的同时提高Zr-Ti基合金强度的目的。实施例结果表明，本专利技术提供的Zr-Ti-X合金具有高强度，在准静态加载条件下，抗压强度可达1400～2000MPa，可拓宽Zr-Ti基合金的应用范围，满足Zr-Ti基合金材料作为空间结构件使用的条件。附图说明图1为实施例1制备的Zr-Ti-X合金的微观组织照片；图2为实施例2制备的Zr-Ti-X合金的微观组织照片；图3～6分别为实施例1～4制备的Zr-Ti-X合金的XRD图；图7为实施例1～4制备的Zr-Ti-X合金在准静态加载条件下的力学性能曲线图；图8为对比例1及实施例2、7～9制备的Zr-Ti-X合金在准静态加载条件下的力学性能曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种Zr-Ti-X合金，包括Zr、Ti和X元素：所述Zr和Ti元素的质量比为1～9：1～9；所述X元素包括C、B或Si，所述X元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％。在本专利技术中，所述Zr和Ti元素的质量比为1～9：1～9，优选为2～8:2～8，更优选为3～7:3～7，进一步优选为4～6:4～6。在本专利技术中，所述X包括C、B或Si，所述X元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％。本专利技术掺杂的X元素的含量能够保证部分X元素与Zr或Ti在烧结过程中形成共价化合物如ZrC、ZrC或Si/Zr作为第二相析出，可显著提升Zr-Ti基合金强度。在本专利技术中，X元素原子半径较小，不仅可以通过元素扩散，以间隙固溶体进入到由金属原子中形成结构点阵的间隙位置，防止α相孪生切变，从而提升强度，还可形成碳化物ZrC或TiC，以及硼化物ZrB2或TiB2，作为第二相钉扎位错提升材料强度。在本专利技术中，当所述X元素优选为C时，所述C元素的原子数优选占Zr和Ti元素总原子数的0.5～12％，更优选为2～10％，进一步优选为5～8％；当所述X元素优选为B时，所述B元素的原子数优选占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％，更优选为2～10％，进一步优选为5～8％；当所述X元素优选为Si时，所述Si元素的原子数优选占Zr和Ti元素总原子数的0.5～12％，更优选为2～10％，进一步优选为5～8％。本专利技术还提供了上述技术方案所述Zr-Ti-X合金的制备方法，包括以下步骤：将Zr源粉末、Ti源粉末和X源粉末混合，得到混合粉末；将所述混合粉末压制成型，得到成型坯体；在真空或惰性气氛中，将所述成型坯体烧结，得到所述Zr-Ti-X合金。本专利技术将Zr源粉末、Ti源粉末和X源粉末混合，得到混合粉末。在本专利技术中，所述Zr源粉末优选包括Zr粉末和/或ZrH2粉末，当所述Zr源粉末优选包括Zr粉末和ZrH2粉末时，所述Zr粉末和ZrH2粉末的质量比优选为1:5～5:1，更优选为2:4～4:2。在本专利技术中，所述Zr源粉末的粒径优选为10～45μm，更优选为20～40μm，进一步优选为25～30μm。在本专利技术中，所述Ti源粉末优选包括Ti粉末和/或TiH2粉末，当所述Ti源粉末优选包括Ti粉末和TiH2粉末时，所述Ti粉末和TiH2粉末的质量比优选为1:5～5:1，更优选为2:4～4:2。在本专利技术中，所述Ti源粉末的粒径优选为10～45μm，更优选为20～40μm，进一步优选为25～30μm。在本专利技术中，当所述Zr源粉末中添加ZrH2粉末、Ti源粉末中添加TiH本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Zr-Ti-X合金，包括Zr、Ti和X元素：/n所述Zr和Ti元素的质量比为1～9：1～9；/n所述X元素包括C、B或Si，所述X元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％。/n

【技术特征摘要】
1.一种Zr-Ti-X合金，包括Zr、Ti和X元素：
所述Zr和Ti元素的质量比为1～9：1～9；
所述X元素包括C、B或Si，所述X元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％。


2.根据权利要求1所述的Zr-Ti-X合金，其特征在于，当所述X元素为C时，所述C元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.5～12％；
当所述X元素为B时，所述B元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.1～12％；
当所述X元素为Si时，所述Si元素的原子数占Zr和Ti元素总原子数的0.5～12％。


3.权利要求1或2所述Zr-Ti-X合金的制备方法，包括以下步骤：
将Zr源粉末、Ti源粉末和X源粉末混合，得到混合粉末；
将所述混合粉末压制成型，得到成型坯体；
在真空或惰性气氛中，将所述成型坯体烧结，得到所述Zr-Ti-X合金。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Zr源粉末包括Zr粉末和/或ZrH2粉末。


5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Ti源粉末包括Ti粉末和/或TiH2粉末。

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【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴伟，刘金旭，刘爽，李树奎，吕延伟，贺川，冯新娅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11