钛硅合金材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种钛合金材料及其制备方法，尤其涉及一种钛硅合金及其制备方法，属于冶金技术领域。

背景技术：

我国的钛资源非常丰富，蕴藏量居世界前列。钛白粉生产已有相当规模，但钛硅材料制备研究的比较少，钛硅合金的研究具有较大的实际意义。

高熔点的金属间化合物，具有低的密度、良好的抗氧化性，因而受到广泛的重视。TiSi₂是一种重要的硅化物，具有较好的高温稳定性、较高的高温强度和良好的抗氧化能力，有希望成为1200℃以上使用的结构材料。由于其电阻和热阻均较低，TiSi₂也有希望应用于电气连接和扩散阻挡层，目前已被作为欧姆接触和金属互联材料广泛用于超大规模集成电路制造技术中；另外TiSi₂薄膜在高温下对压力很敏感，有望成为高温时的压力感应器材料。Ti₅Si₃具有六方D8₈型晶体结构，具有高温强度大，抗高温氧化性能好等优点。TiSi具有低电阻率、较高的热稳定性以及化学稳定性等诸多优异的性能。

传统的钛硅合金的制备是采用纯金属钛和硅为原料制备的，由于金属钛制备成本高，工艺流程长，导致制备的钛硅合金成本较高。

秦超等.SPS原位反应制备TiSi₂基复合材料的微观结构和性能研究[J].无机材料学报，2008.3，23(2)，209-212，公开了以工业用硅粉、碳粉和碳化钛为原料，利用放电等离子烧结技术原位反应制备了TiSi₂/SiC两相复合材料。陈贵清等.弱放热反应TiSi₂燃烧合成的研究[J].粉末冶金技术，1998，16(4)：249-253，用自蔓延高温燃烧法合成了TiSi₂单相化合物，其合成过程需要氩气保护。张炳.FFC法制备钛硅合金的研究[D].东北：东北大学,2008.公开了采用FFC法直接用TiO₂和SiO₂为原料熔盐电解直接制备钛硅合金：实验过程主要包括阴极制备和电解两个部分。阴极制备流程包括如下步骤：均匀混合TiO₂、SiO₂粉末；添加1％(质量比)的聚乙烯醇作为粘结剂；20MPa压力下压成形；1200℃下烧结4h；烧结后的片体和钼丝、镍硅丝组装成复合阴极。适宜的电解条件为：以烧结的TiO₂-SiO₂片体为阴极,石墨坩埚为阳极,电解温度900℃、电解电压3.0V。其原料的处理较繁琐。目前还没有见到电硅热还原钛白粉一步合成制备钛硅合金的报道。

《GB/T 3620.1-2007钛及钛合金牌号和化学成分》公开了现有钛合金的种类及各钛合金中的化学成分，其硅含量较低，钛含量较高，硅的含量低于0.6％，例如，钛硅合金Ti-6Al-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01B，其Al含量50～6.5％，Gr含量0.4～0.9％，Fe 0.25～0.60％，Si含量0.25～0.60％，B含量0.01％，其它元素含量0.40，余量为Ti，合金的密度较高。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种钛硅合金材料，该钛硅合金钛含量低，硅含量高，合金密度低，用于航空，航海等领域可节约能耗。

为解决第一个技术问题，本发明的技术方案为：钛硅合金材料，所述钛硅合金材料含有：37～60重量份的Ti、40～63重量份的Si。

进一步地，所述钛硅合金材料由37～60重量份的Ti、40～63重量份的Si、1.3～2.3重量份的氧和0.8～1重量份的其它杂质组成。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种上述钛硅合金材料的制备方法，该方法工艺简单，合成成本低。

为解决第二个技术问题，本发明的技术方案为：钛硅合金材料的制备方法，包括如下步骤：

a.配料：取钛白粉35.7～38.5重量份，硅粉26.9～32重量份，氧化钙25～34.6重量份；

b.混匀：将a步骤配好的料混合均匀；

c.焙烧：将b步骤混匀的原料焙烧，焙烧温度1450～1600℃，焙烧时间10～30min；

d.冷却：将c步骤焙烧后的原料冷却，实现钛硅合金和熔渣的有效分离。

优选地，b步骤采用球磨机混合均匀。

优选地，c步骤在马弗炉中进行焙烧。

优选地，d步骤在空气气氛下自然冷却。

进一步地，球磨机混匀的球磨时间1～3h。

优选地，c步骤焙烧温度1500℃-1600℃。

优选地，c步骤焙烧时间20～30min。

进一步地，钛的收率90％以上。

本发明的有益效果：

本发明的钛硅合金材料，钛含量低，硅含量高，合金密度低，用于航空，航海领域可节约能耗。

本发明采用电硅热还原钛白粉一步合成制备钛硅合金的制备方法，工艺简单，能耗较低，能规模化的生产制备，具有较大的应用前景。此外，采用本发明钛硅合金的制备方法，渣相会在合金表面形成，能起到密封的作用，可在空气气氛下自然冷却，无需在真空或惰性气体的保护下冷却，且渣和钛硅合金易分离，制得的合金杂质含量低。

相对于传统制备钛硅材料的方法，该方法成本低、工艺和设备要求简单、原料来源广。

附图说明

图1为钛硅合金材料制备方法的流程图；

图2钛硅合金材料样品图。

具体实施方式

1、钛硅合金材料，所述钛硅合金材料含有：37～60重量份的Ti、40～63重量份的Si。

进一步地，所述钛硅合金材料由37～60重量份的Ti、40～63重量份的Si、1.3～2.3重量份的氧和0.8～1重量份的其它杂质组成。

其中，制备的钛硅合金材料主要物相为TiSi、TiSi₂及Ti₅Si₃。

2、钛硅合金材料的制备方法，如图1本发明钛硅合金材料制备方法的流程图所示，包括如下步骤：

a.配料：取钛白粉35.7～38.5重量份，硅粉26.9～32重量份，氧化钙25～34.6重量份；

b.混匀：将a步骤配好的料混合均匀；

c.焙烧：将b步骤混匀的原料焙烧，焙烧温度1450～1600℃，焙烧时间10～30min；

d.冷却：将c步骤焙烧后的原料冷却，实现钛硅合金和熔渣的有效分离。

其中，d步骤冷却后如图2本发明制备的钛硅合金材料样品图所示，渣在钛硅合金表面，且颜色与钛硅合金不同，合金表面黑色的为渣，能够容易的将渣和钛硅合金分开，渣的成分为CaO-SiO₂。

为保证原料粉末的充分混匀，优选地，b步骤采用球磨机混合均匀，球磨机能在混匀原料的同时，还将可原料进一步磨碎。

为更好的控制焙烧温度，优选地，c步骤在马弗炉中进行焙烧，也可选用其它能控制温度的焙烧炉。

采用本发明的方法，渣相会在合金表面形成，能起到密封的作用，因而d步骤在空气气氛下自然冷却就能实现渣和钛硅合金的分离，为节约成本，也可根据生产需要选择其它冷却方式。

进一步地，b步骤采用球磨机混合均匀的球磨时间1～3h。

优选地，c步骤焙烧温度1500℃-1600℃。

优选地，c步骤焙烧时间20～30min。

进一步地，钛的收率90％以上。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

称取钛白粉37.1重量份，硅粉29.6重量份，CaO 33.3重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨1h。混料后得到的样品放入马弗炉内1550℃进行焙烧，焙烧时间为20min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到钛硅合金和渣。

测量得到的钛硅合金材料的主要化学成分为：54.5重量份Ti、43.5重量份Si、1.3重量份O、其他0.8重量份；计算钛收率为90％。

实施例2

称取钛白粉38.5重量份，硅粉26.9重量份，CaO 34.6重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨1h。将混合好的原料加入刚玉坩埚内，然后混料后得到的样品放入马弗炉内1500℃进行焙烧，焙烧时间为30min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到钛硅合金和渣。

测量得到的钛硅合金材料的主要化学成分为：57.1重量份Ti、41.9重量份Si、2.3重量份O、其他1重量份；计算钛收率为92％。

实施例3

称取钛白粉35.7重量份，硅粉31.5重量份，CaO 30重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨3h。将混合好的原料加入刚玉坩埚内，然后混料后得到的样品放入马弗炉内1450℃进行焙烧，焙烧时间为30min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到钛硅合金和渣。

测量得到的钛硅合金材料的主要化学成分为：50.2重量份Ti、46.8重量份Si、1.8重量份O、其他1.2重量份；计算钛收率为94％。

实施例4

称取钛白粉36.2重量份，硅粉29.2重量份，CaO 25重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨2h。混料后得到的样品放入马弗炉内1600℃进行焙烧，焙烧时间为15min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到钛硅合金和渣。

测量得到的钛硅合金材料的主要化学成分为：51.2重量份Ti、44.8重量份Si、2.3重量份O、其他1.7重量份；计算钛收率为93％。