CN108441717B - 一种钛掺杂铍铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛掺杂铍铝合金及其制备方法,属于合金材料及其制备领域。本发明中,将钛颗粒置于水冷铜坩埚底部,将铍块和铝块置于钛颗粒之上;熔炼炉内预抽真空,再充入氩气;再进行电弧熔炼;待金属熔化完全后,断电进行凝固,凝固过程继续施加磁场搅拌,最终获得钛掺杂铍铝合金块。本发明制备的钛掺杂铍铝合金中,原位合成了Be12Ti增强体,且Be12Ti增强体具有良好的分散性。同时,本发明制备的钛掺杂铍铝合金具有更高的硬度,能够有效扩展铍铝合金的应用范围,具有较高的应用价值。本发明制备方法简单,易于操作,生产流程、周期短,能够满足工业化大规模生产和应用的需要,具有较好的应用价值和应用前景,值得大规模推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料及其制备领域,具体为一种钛掺杂铍铝合金及其制备方法。
背景技术
铍铝(BeAl)合金综合了金属铍和金属铝的特点,具有密度低、比刚度高、比强度高、热稳定性好等特点,在航空航天工业、计算机制造业、汽车工业及高精度高速度电焊机器制造工业中得到了广泛的应用。
目前,铍铝合金主要采用粉末冶金和铸造两种方法进行制备。粉末冶金作为最早用于生产铍铝合金材料的工艺,且沿用至今。粉末冶金首先通过惰性气体雾化法制取预合金粉,再通过冷、热等静压工序获取坯料,最后通过挤压或轧制工序,获取棒材或板材。然而,采用粉末冶金法制备铍铝合金时,其生产成本较大,不利于铍铝合金的广泛应用。二采用铸造法生产铍铝合金时,需要克服较宽的凝固温度区间所带来的金属液补缩问题。
另一方面,受铍铝合金自身性能的限制,制约了铍铝合金进一步应用。通常向铍铝合金中添加其他合金元素,利用其固溶强化效果,以提升铍铝合金性能。中国专利CN104726756A公开了一种高性能铍铝合金,其中添加的主要合金元素为镍,其次为银、钴、锗、硅中的一种或多种。
发明内容
申请人研究后发现,在中国专利CN104726756A中,添加的合金元素(主要合金元素为镍,其次为银、钴、锗、硅中的一种或多种)为可固溶于铍铝合金中的元素,不包含可与铍铝合金生成高温金属间化合物的元素。而研究发现,铍(Be)与钛(Ti)的金属间化合物Be12Ti被证实具有高热稳定性以及高硬度,若将其引入到铍铝合金中,预期可提高铍铝合金的热稳定性和强度。但目前尚无涉及含Be12Ti颗粒的铍铝合金材料以及其制备方法的专利和文献报道。为此,本发明提供一种钛掺杂铍铝合金及其制备方法。本发明制备的钛掺杂铍铝合金中,原位合成了Be12Ti增强体,且Be12Ti增强体具有良好的分散性。同时,本发明制备的钛掺杂铍铝合金具有更高的硬度,能够有效扩展铍铝合金的应用范围,具有较高的应用价值。本发明制备方法简单,易于操作,生产流程、周期短,能够满足工业化大规模生产和应用的需要,具有较好的应用价值和应用前景,值得大规模推广和应用。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种钛掺杂铍铝合金,包括如下质量百分比的组分:30~50 wt.%的铝,0.5~5 wt.%的钛,余量为铍和不可避免的杂质。
包括如下质量百分比的组分:35~45 wt.%的铝,1~3 wt.%的钛,余量为铍和不可避免的杂质。
前述钛掺杂铍铝合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)按配比分别称取金属铍、金属铝、金属钛,并将称取的金属钛置于水冷铜坩埚底部,再将金属铝、金属铍置于金属钛之上;
(2)将放置有金属铍、金属铝、金属钛的水冷铜坩埚置于熔炼炉内,并将熔炼炉抽真空后,充入惰性气体进行保护,再进行电弧熔炼;
(3)待金属熔化完全后,断电进行凝固,凝固过程中采用磁场搅拌直至凝固结束,即得产品。
所述步骤1中,按配比分别称取金属铍块、金属铝块、金属钛颗粒。
所述步骤2中,将熔炼炉抽真空至真空度10Pa以下。
所述步骤2中,充入0.03~0.05MPa的氩气进行保护。
所述步骤2中,进行电弧熔炼时,熔炼电流为200~500A,熔炼电压为5~30V。
进一步,所述步骤2中,进行电弧熔炼时,熔炼电流为350~400A,熔炼电压为5~30V。
所述步骤3中,搅拌磁场的频率为0~30Hz,电压为220V,电流为0~300 A。
所述步骤3中,搅拌磁场的频率为10Hz,电压为220V,电流为180~200 A。
所述步骤3中,待金属熔化完全后,先保温并进行磁场搅拌,再断电进行凝固,凝固过程中采用磁场搅拌直至凝固结束,即得产品。
所述步骤3中,熔炼过程中,原料熔化时间为30~100 s,熔体保温时间为30~60 s,凝固时间为1~10 s。
针对前述问题,本发明提供一种钛掺杂铍铝合金及其制备方法。该钛掺杂铍铝合金,按质量百分数计,铝含量为30~50 wt.%,钛含量为0.5~5 wt.%,其余为铍。优选的,钛掺杂铍铝合金成分为:铝含量为35~45 wt.%,钛含量为1~3 wt.%,其余为铍。
同时,本发明提供前述合金的制备方法,其包括如下步骤:以铍块、铝块、钛颗粒作为原料;将钛颗粒置于水冷铜坩埚底部,将铍块和铝块置于钛颗粒之上;熔炼炉内预抽真空,再充入氩气;再进行电弧熔炼;待金属熔化完全后,断电进行凝固,凝固过程继续施加磁场搅拌,最终获得钛掺杂铍铝合金块。为了保证合金充分均化,在金属熔化完后保温并进行磁场搅拌。该方法中,预抽真空为10 Pa以下,氩气填充压力为0.03~0.05 MPa;电弧熔炼电流为200~500 A,熔炼电压为10V。
本发明中,合金熔体保温过程以及凝固过程中施加磁场搅拌,磁场搅拌电流为0~300 A,电压为220V,频率为0~30Hz。熔炼过程中,原料熔化时间优选为30~100 s,熔体保温时间优选为30~60 s,凝固时间优选为1~10 s。优选的,金属熔化后使用电流为100~200 A、电压为220V的磁场搅拌直至凝固结束,得到铍铝合金。优选的,熔炼电压为10V,熔炼电流为350~400 A;搅拌磁场的频率为10Hz,电压为220V,电流为180~200 A。
经实验测定,本发明的钛掺杂铍铝合金内部存在原位合成的Be12Ti颗粒增强相,该Be12Ti颗粒增强相在铍铝合金中均匀分散。同时,硬度测试结果表明,本发明的钛掺杂铍铝合金具有更高的硬度,有利于提升铍铝合金的性能。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1)经X射线衍射图谱测定,本发明的钛掺杂铍铝合金中包含Be12Ti相;
2)同时,本发明的钛掺杂铍铝合金中Be12Ti增强体是原位合成的,具有良好的分散性;
3)硬度测试结果表明,相较于现有的铍铝合金,本发明的钛掺杂铍铝合金具有更高的硬度;
4)本发明制备方法简单,工艺流程短,生产成本低,能够满足大规模、批量化生产的需求,具有较高的应用价值;
5)本发明能有效提升铍铝合金的性能,有助于扩大其应用范围,进一步拓展其应用领域,对于铍铝合金的发展,具有重要的进步意义。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1为不同Ti含量的铍铝合金的X射线衍射图谱;
图2为含3 wt.%钛元素的铍铝合金的显微组织图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
为便于理解本发明,下文将结合说明书附图和实施例对本发明进行描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有特别说明,本发明中使用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
(一)铍铝合金制备
实施例1
本实施例中,铍铝合金的原料质量百分比如下:铝含量为38 wt.%,余量铍。
实施例2
本实施例中,铍铝合金的原料质量百分比如下:铝含量为38 wt.%,钛含量为1wt.%,余量铍。
实施例3
本实施例中,铍铝合金的原料质量百分比如下:铝含量为38 wt.%,钛含量为3wt.%,余量铍。
前述实施例1~3的制备方法如下。
(1)以铍块、铝块和钛颗粒为原料,将钛颗粒置于水冷铜坩埚底部,将铍块和铝块放在钛颗粒之上。
(2)将放置有金属铍、金属铝、金属钛的水冷铜坩埚置于熔炼炉内,再将熔炼炉内抽真空至5 Pa,再充入氩气0.04 MPa。
(3)再进行电弧熔炼,熔炼电流400 A,熔炼电压为10V,熔化完以后;先保温并进行磁场搅拌,再断电进行凝固,凝固过程中采用磁场搅拌直至凝固结束,即得铍铝合金。其中,搅拌磁场的频率为10Hz,电压为220V,电流为200 A。
(二)实验测定
1、将实施例1~3制备的铍铝合金进行测试,得到相应铍铝合金的测试硬度,重复三次。测试结果如下:实施例1制备的Be38Al的合金硬度(HV)分别为60.9、63.2、62.9;实施例2制备的1 wt.%Ti-Be38Al的合金硬度(HV)分别为78.8、80.3、81.0;实施例3制备的3 wt.%Ti-Be38Al的合金硬度(HV)分别为85.2、85.7、87.0。
实验结果表明,本发明制备的钛掺杂铍铝合金具有更高的硬度。
2、实施例1~3所制备铍铝合金的X射线衍射图谱如图1所示。结果显示,钛加入铍铝合金后形成了Be12Ti相,钛含量越大,Be12Ti相衍射峰越强。
3、进一步,实施例3制备的含3 wt.% 钛元素的铍铝合金的显微组织如图2所示。图2中,突出颗粒为Be12Ti相,亮白色为铝相,其余为铍相。实验结果表明,本发明制备的钛掺杂铍铝合金中,Be12Ti颗粒在铍铝合金中分布良好。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)按配比分别称取金属铍、金属铝、金属钛,并将称取的金属钛置于水冷铜坩埚底部,再将金属铝、金属铍置于金属钛之上;
(2)将放置有金属铍、金属铝、金属钛的水冷铜坩埚置于熔炼炉内,并将熔炼炉抽真空后,充入惰性气体进行保护,再进行电弧熔炼;
(3)待金属熔化完全后,断电进行凝固,凝固过程中采用磁场搅拌直至凝固结束,即得产品;所述产品包括如下质量百分比的组分:30~50wt.%的铝,0.5~5wt.%的钛,余量为铍和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述产品包括如下质量百分比的组分:35~45wt.%的铝,1~3wt.%的钛,余量为铍和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤1中,按配比分别称取金属铍块、金属铝块、金属钛颗粒。
4.根据权利要求1所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤2中,将熔炼炉抽真空至真空度10Pa以下。
5.根据权利要求4所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤2中,充入0.03~0.05MPa的氩气进行保护。
6.根据权利要求1~5任一项所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤2中,进行电弧熔炼时,熔炼电流为200~500A,熔炼电压为5~30V。
7.根据权利要求1~5任一项所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,搅拌磁场的频率为0~30Hz,电压为220V,电流为0~300A。
8.根据权利要求1~5任一项所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,待金属熔化完全后,先保温并进行磁场搅拌,再断电进行凝固,凝固过程中采用磁场搅拌直至凝固结束,即得产品。
9.根据权利要求8所述钛掺杂铍铝合金的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,熔炼过程中,原料熔化时间为30~100s,熔体保温时间为30~60s,凝固时间为1~10s。
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