[發明專利]高韌性Laves相NbFe2基高溫結構材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410550744.0
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104480387A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 李克偉;王曉波;李雙明;王文先
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C22C38/12
• 分類號: C22C38/12
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明為一種高韌性Laves相NbFe₂基高溫結構材料及其制備方法，該高溫結構材料中存在有Laves相NbFe₂和Fe相。

背景技術

隨著航空航天技術的不斷發展，對其所用的材料提出了更為苛刻的要求，如要求材料能夠承受更高的溫度，具有優異的高溫抗氧化能力和高溫比強度，良好的韌性和加工性，對于新一代大推重比的航空發動機，其渦輪噴氣發動機的渦輪前進口溫度更是高達1900K，這就要求葉片材料本身的耐溫能力要達到1400-1600℃，然而，目前廣泛用作航空發動機高溫結構材料的鎳基高溫合金的使用溫度已達到1100℃，接近其熔點的80-90%，繼續提高其使用溫度的空間已經很小。如要發展更高耐溫材料，必須尋找新的合金體系，特別是具有低比重、高熔點及優異力學性能，同時兼有優良的高溫抗氧化性的材料，這對發展我國航空航天事業有著重大的現實意義和理論價值。

目前使用溫度比鎳基高溫合金高的材料主要有金屬間化合物和陶瓷材料這兩大類。考慮到利用現有合金裝備和快速成形技術，金屬間化合物有一定優勢。另外，金屬間化合物具有密度小、耐高溫、耐磨損等優良特性，且同時兼有金屬鍵和共價鍵，能復合金屬和陶瓷材料的某些獨特性能，從而有可能發展成為新型的先進高溫結構材料。

在金屬間化合物中有很大一部分屬于拓撲密排Laves相，文獻中報道的二元Laves相的種類多達360多種，加上三元Laves相后，Laves相的種類超過了900多種，這為發展新型的先進高溫結構材料提供了相當大的選材空間。如倍受關注的Laves相NbFe₂，熔點高達1627℃，具有優異的蠕變抗力，良好的高溫抗氧化性和優異的抗熱腐蝕性，使用溫度可望超過1200℃。與目前Ni基高溫合金使用溫度相比，有近100℃的提高空間，如此大的提升空間對高溫材料來說是非常困難的，因為在Ni基單晶高溫合金發展歷程中，從第1代發展到第4代，每1代的使用溫度提高的空間也只有30℃左右，卻要花費數十年的時間進行研制。此外，在奧氏體耐熱鋼中引入NbFe₂可以提高其高溫強度和蠕變抗力。因此，NbFe₂作為高溫結構材料具有很大的應用潛力，引起了國內外研究學者的廣泛關注。

Laves?相NbFe₂金屬間化合物具有作為高溫結構材料的應用潛力，但低的室溫延展性仍然阻礙其進入工業化應用，因此必須采取措施來改進其室溫塑性和韌性。在Laves相NbFe₂中引入韌性金屬相是解決該材料室溫脆性問題的有效途徑之一，通過引入韌性Fe相可以與Laves相NbFe₂形成細小的共晶組織，細小共晶片層和塑性良好的金屬Fe相能很好地阻止裂紋在Laves相NbFe₂中擴展，直觀的表現為裂紋橋接、裂紋偏轉和裂紋鈍化，從而達到提高Laves相NbFe₂室溫斷裂韌性的目的。

發明內容

本發明的目的是提供一種高韌性Laves相NbFe₂基高溫結構材料及其制備方法，通過在Laves相NbFe₂中加入過量的Fe，同時控制電弧熔煉條件，在Laves相NbFe₂中引入韌性金屬相，來改善了Laves相NbFe₂的室溫脆性。以此開發出新型的使用溫度可望超過1150℃的金屬間化合物基高溫結構材料，滿足新一代燃氣渦輪機及航空發動機用材料需達到1150℃的承溫要求。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種高韌性Laves相NbFe₂基高溫結構材料，所述的高溫結構材料由純度為99.9%的鈮和純度為99.5%的鐵組成，成分范圍為3.2-27at%的鈮和余量的鐵。

該高溫結構材料的制備方法為：將按Fe_73-96.8Nb_3.2-27成分稱取純度為99.9%的鈮和純度為99.5%的鐵，放入非自耗真空電弧爐中的水冷銅坩堝內，真空度為2×10^-3-6×10^-3Pa，翻轉重熔4-5次，每次熔煉時間3-5min。