[發明專利]一種Nb-Ti-Si-Zn合金材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010508207.1
• 申請日: 2010-10-15
• 公開（公告）號: CN102021458A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 李樹索;武美伶;韓雅芳;宮聲凱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C22C27/02
• 分類號: C22C27/02;C22C1/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 李有浩

技術領域

本發明涉及一種用作燃氣渦輪發動機熱端部件的鈮基高溫合金材料，更特別地說，是指一種能夠在1100～1400℃超高溫環境下應用的Nb-Ti-Si-Zn合金材料。

背景技術

隨著航空航天技術的高度發展，目前用作燃氣渦輪發動機熱端部件的鎳基(Ni基)和鈷基(Co基)高溫合金材料已經接近其最高使用溫度極限(～1100℃)，即工作溫度已經達到或超過其熔點的85％，因此尋求使用溫度更高的結構材料已成為迫切需求。

硅系(Si)金屬間化合物以其熔點高、密度低得到了廣泛關注，其中Nb-Si系超高溫金屬間化合物在1100～1400℃具有明顯優勢。Nb-Si系超高溫合金材料通常由韌性的鈮基固溶體相(Nbss)和脆性的鈮硅化物相(主要為Nb₃Si、Nb₅Si₃)組成。硅化物的形態、分布直接關系到合金材料使用的力學性能。

發明內容

本發明的目的是提出一種能夠在1100～1400℃超高溫環境下應用的Nb-Ti-Si-Zn的合金材料，通過在Nb-Si系超高溫合金中加入Zn元素，使合金中鈮硅化物的形態發生改變。本發明的Nb-Ti-Si-Zn的合金中存在有鈮基固溶體相Nbss和鈮硅化物相Nb₅Si₃，在18℃～25℃下的斷裂韌性為17～28MPa·m^1/2，18℃～25℃下的壓縮屈服強度為1100～1800MPa，1250℃～1350℃下的壓縮屈服強度為200～500MPa。

本發明的一種Nb-Ti-Si-Zn合金材料，其該合金材料由50～78at％的Nb、1～20at％的Si、16～28at％的Ti和0.01～2at％的Zn組成，且上述各成分的原子百分含量之和為100％。

本發明的一種制備Nb-Ti-Si-Zn合金材料的方法，其包括有下列步驟：

第一步，按Nb-Ti-Si-Zn目標成分配比分別稱取純度為99.99％的Nb、純度為99.999％的Si、純度為99.9％的Ti和純度為99.9％的Zn；

所述Nb-Ti-Si-Zn目標成分由50～78at％的Nb、1～20at％的Si、16～28at％的Ti和0.01～2at％的Zn組成，且上述各成分的原子百分含量之和為100％；

第二步，將第一步稱取的原材料放入非自耗真空電弧熔煉爐里；先抽真空度至小于5×10^-5Pa，然后充入氬氣使真空度至1.01×10⁵Pa，最后在氬氣的保護下，在熔煉溫度2700～3000℃下反復熔煉5～6次，得到成分均勻的Nb-Ti-Si-Zn高溫合金錠材。

本發明的Nb-Ti-Si-Zn合金材料的優點是：通過添加Zn，可以破壞了硅化物的網狀連接，同時抑制了顆粒狀鈮硅化物的析出，大幅度的改善了合金的性能。

附圖說明

圖1是實施例1制得的Nb-22Ti-5Si-1Zn的超高溫合金的顯微組織圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。

本發明是一種能夠在1100～1400℃超高溫環境下應用的Nb-Ti-Si-Zn合金材料，該合金材料由50～78at％的Nb、1～20at％的Si、16～28at％的Ti和0.01～2at％的Zn組成，且上述各成分的原子百分含量之和為100％。

本發明采用非自耗真空電弧熔煉方法制備Nb-Ti-Si-Zn超高溫合金材料，包括有下列步驟：

第一步，按Nb-Ti-Si-Zn目標成分配比分別稱取純度為99.99％的Nb、純度為99.999％的Si、純度為99.9％的Ti和純度為99.9％的Zn；

第二步，將第一步稱取的原材料放入非自耗真空電弧熔煉爐里；先抽真空度至小于5×10^-5Pa，然后充入氬氣使真空度至1.01×10⁵Pa，最后在氬氣的保護下，在熔煉溫度2700～3000℃下反復熔煉5～6次，得到成分均勻的Nb-Ti-Si-Zn高溫合金錠材。

對Nb-Ti-Si-Zn高溫合金采用JEOL?JXA-8100型電子探針顯微鏡(EPMA)進行微觀組織分析。

對Nb-Ti-Si-Zn高溫合金采用深圳新三思公司的CMT5504型萬能試驗機進行室溫(18～25℃)三點彎曲載荷-位移測試，在室溫(18～25℃)的斷裂韌性為17～28MPa·m^1/2。