[發(fā)明專利]定向凝固鈮硅基合金的熱處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210238131.4
• 申請日: 2012-07-10
• 公開（公告）號: CN103540884A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李玉龍;張燕;朱鷗;雷力明;石隨林
• 申請（專利權(quán)）人: 中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司
• 主分類號: C22F1/18
• 分類號: C22F1/18;C22F1/02
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 樓仙英;邵桂禮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總地涉及熱處理技術(shù)，更具體地涉及定向凝固鈮硅基合金的熱處理工藝。

背景技術(shù)

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在航空航天、能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，其能源利用效率跟高溫結(jié)構(gòu)材料的使用溫度密不可分。目前渦輪葉片材料普遍采用鎳基單晶高溫合金，最高使用溫度已經(jīng)超過1100℃，達(dá)到了純鎳熔點(diǎn)的85%，再提升的潛力不大，因此需要開發(fā)新一代的高溫結(jié)構(gòu)材料。渦輪葉片在高溫高壓高蝕的惡劣條件下工作，葉片材料必須具備一系列優(yōu)異的綜合性能，包括高溫強(qiáng)度、低溫塑韌性、抗氧化性、抗蠕變性、抗疲勞性、加工成型性等。

已知鈮硅基合金熔點(diǎn)高，密度低。鈮硅基合金由Nb和Nb₅Si₃兩相組成，Nb₅Si₃相有三種同素異構(gòu)體：αNb₅Si₃、βNb₅Si₃、γNb₅Si₃，其中βNb₅Si₃和γNb₅Si₃是高溫穩(wěn)定相，αNb₅Si₃是低溫穩(wěn)定相。在鈮硅基合金的兩相中，Nb相塑韌性較好，Nb₅Si₃相高溫強(qiáng)度、抗蠕變性、抗氧化性較好，兩者的結(jié)合可以獲得較好的綜合性能。因此，鈮硅基合金成為替代鎳基高溫合金的候選材料，可用于在1200-1500℃高溫環(huán)境下工作的渦輪葉片等熱端部件。通過添加合金化元素還可以優(yōu)化其綜合性能，目前主要形成兩種體系的鈮硅基合金，包括高韌型的Nb-Si-Ti系和高強(qiáng)型的Nb-Si-Mo系。

鈮硅基合金的加工工藝包括電弧熔煉、感應(yīng)熔煉、定向凝固、熱擠壓、電子束物理氣相沉積等。對于制備渦輪葉片，通常采用定向凝固熔模鑄造工藝，近凈成型生產(chǎn)出零件。

鈮硅基合金室溫?cái)嗔秧g性較差，成為制約其應(yīng)用的主要障礙之一。在定向凝固過程中，抽拉速度是重要的工藝參數(shù)，高抽拉速度會(huì)引起疏松等缺陷，因此定向凝固合金通常采用較低的抽拉速度，但低抽拉速度又會(huì)造成鑄件晶粒粗大。晶粒度大小對合金斷裂韌性有較大影響，晶粒越細(xì)小，斷裂韌性越高。定向凝固鈮硅合金晶粒粗大，晶粒尺寸一般為1-3mm，斷裂韌性較低，小于

發(fā)明內(nèi)容

因此，提供一種能夠細(xì)化晶粒并提高斷裂韌性的熱處理方法將有利于定向凝固鈮硅基合金的工程化應(yīng)用。

本發(fā)明的主旨思想是采用熱處理（甚至多個(gè)循環(huán)），使鈮硅基合金的Nb₅Si₃相連續(xù)發(fā)生同素異構(gòu)相變，在相變過程中晶粒尺寸逐漸減小，斷裂韌性隨之升高。

為此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種定向凝固鈮硅基合金的熱處理方法，包括如下步驟：1）將定向凝固鈮硅基合金置于惰性氣體環(huán)境下加熱到1750～1850℃，并保溫5～20小時(shí)；2）隨爐冷卻降溫到1000～1700℃，保溫2～10小時(shí)。

優(yōu)選地，還包括將步驟1）和步驟2）循環(huán)進(jìn)行若干次的步驟，比如2～6次。

優(yōu)選地，將定向凝固鈮硅合金加熱到1750～1800℃并保溫5～10小時(shí)。

優(yōu)選地，隨爐冷卻降溫到1500～1700℃，保溫2～5小時(shí)。

進(jìn)行上述熱處理后隨爐冷卻到室溫,定向凝固鈮硅基合金的晶粒尺寸為100～500μm，斷裂韌性達(dá)到

總之，上述熱處理工藝在保持強(qiáng)度需求（強(qiáng)度下降幅度不大）的情況下顯著細(xì)化了定向凝固鈮硅基合金的晶粒尺寸，斷裂韌性可提高約一倍，因而該工藝優(yōu)化了鈮硅基合金的綜合力學(xué)性能。

通過參考下面所描述的實(shí)施方式，本發(fā)明的這些方面和其他方面將會(huì)得到清晰地闡述。

具體實(shí)施方式

根據(jù)要求，這里將披露本發(fā)明的具體實(shí)施方式。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，這里所披露的實(shí)施方式僅僅是本發(fā)明的典型例子而已，其可體現(xiàn)為各種形式。因此，這里披露的具體細(xì)節(jié)不被認(rèn)為是限制性的，而僅僅是作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)以及作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以實(shí)際中任何恰當(dāng)?shù)姆绞讲煌貞?yīng)用本發(fā)明的代表性的基礎(chǔ)，包括采用這里所披露的各種特征并結(jié)合這里可能沒有明確披露的特征。

下面通過實(shí)施方式1~3來詳細(xì)介紹本發(fā)明。需要說明的是，實(shí)施方式1~3是針對不同類型的鈮硅基合金分別進(jìn)行7個(gè)實(shí)施例的熱處理并和未經(jīng)熱處理的比較例作對比。

實(shí)施方式1