一种钛掺杂铍铝合金及其制备方法

摘要

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Be

说明书

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1 wt.%，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3 wt.%，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。