[發明專利]一種低成本制備鈮基合金的方法

有效

• 申請號: 201410678134.9
• 申請日: 2014-11-23
• 公開（公告）號: CN104388788A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 章林;李啟軍;曲選輝;李兵兵;秦明禮;何新波;張瑞杰
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C27/02
• 分類號: C22C27/02;C22C1/05
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發明屬于難熔金屬技術領域，特別提供了一種低成本制備鈮基合金的方法。

背景技術

鈮合金具有熔點高、密度較低、高溫強度高等優異性能，是一種重要的高溫結構材料，在航空航天領域有很大的應用潛力。目前，鈮合金的制備主要采用電子束熔煉、鍛造或熱擠壓的工藝制備成板材或棒材，再通過機械加工的方法制成所需形狀和尺寸的零部件。由于鈮基合金常溫下的變形抗力大、質脆，制備復雜形狀鈮基合金零部件的難度大。粉末冶金工藝在制備復雜形狀鈮基合金零部件方面具有更大的靈活性，并且組織成分均勻、無宏觀偏析，綜合性能更加優異。細粒徑、低氧含量、少非金屬夾雜的高品質原料粉末的制備是開發粉末冶金鈮基合金的前提條件。由于鈮基合金的熔點高，目前主要采用旋轉電極霧化工藝來制備鈮基合金粉末，存在細粒徑粉末的產率低、成本高、推廣應用困難的問題，限制了粉末冶金鈮基合金的應用。開發低成本鈮基合金粉末制備技術、新的合金化途徑和成形方法是制備粉末冶金鈮基合金的關鍵。

發明內容

本發明的目的在于提供一種低成本制備鈮基合金的方法，

本發明從降低鈮基合金粉末成本的角度出發，通過電子束熔煉、氫化、脫氫的技術制備微細中間合金粉末，并將微細中間合金粉末和純鈮金屬粉末的混合粉末作為原料來制備鈮基合金，顯著降低了原料粉末成本。利用中間合金粉末和純鈮金屬粉末之間較大的化學成分梯度來為合金元素原子的遷移提供驅動力，達到合金化的效果。同時，利用微細中間合金粉末的比表面積大、晶格畸變大、具有較高燒結活性的特性來降低燒結溫度，減小鈮基合金的燒結變形。該方法制備工藝簡單，制備成本較低。

制備工藝如圖1所示，具體工藝步驟有：

(1)中間合金熔煉：中間合金成分根據目標鈮基合金的成分進行設計，中間合金中除Nb元素以外的合金元素的質量比與目標鈮基合金中合金元素的質量比一致。按照中間合金成分稱取TiNb合金、TiAl合金、鉻粒、TiMo合金、Hf塊、石墨粉末、釩塊、鎢片、硅塊和Nb棒。各種原料在電子束熔煉爐中進行熔煉，得到中間合金鑄錠。

所述的鈮基中間合金的成分為：14-16wt％Ti、0-10wt％Al、5.5-10wt％Cr、0.6-10wt％Mo、1-5wt％Hf、0.03-0.08wt％C、0-5wt％V、0～15wt％W、0～18wt％Si和余量的Nb。

(2)中間合金氫化：通過線切割的方法將鈮基合金鑄錠切割成0.2～3mm厚的薄片，然后在高純氫氣中進行氫化，氫化溫度為500～900℃，保溫0.5～4小時，冷卻速率為0.5～3℃/分鐘。氫化過程中在爐膛內放置少量具有強還原性的鎂、鈣、鋰來吸收氣氛中的雜質氧。氫化后的合金薄片進行機械破碎，得到粒徑為0.5～20μm的吸氫粉末。

(3)吸氫粉末部分脫氫：吸氫合金粉末在真空氣氛中進行煅燒脫除一部分氫，真空度為1×10^-4Pa，煅燒溫度為200～600℃，保溫時間為15～120min，氫化過程中在爐膛內放置少量具有強還原性的鎂、鈣、鋰來吸收氣氛中的雜質氧，得到的部分脫氫中間合金粉末如圖2所示。

(4)部分脫氫中間合金粉末和純鈮粉末混合：將部分脫氫中間合金粉末和0.5～5μm的鈮粉通過球磨混合均勻，得到混合粉末。混合粉末中鈮粉的重量百分含量為10～30％，球磨機的轉速為200～350轉/分，球磨時間為3～10小時。

(5)注射成形：將混合粉末與石蠟基粘結劑在雙行星混煉機中于150～170℃混煉60～120min制成流變性能均勻的喂料，其中粉末裝載量為51～63vol％；在注射成形機上直接注射成形，注射溫度為155～170℃、注射壓力為70～110MPa，得到注射坯體；

所述的石蠟基粘結劑中各組元的含量為：21wt％低密度聚乙烯、10wt％高密度聚乙烯、20wt％聚丙烯、4％聚苯乙烯、8wt％硬脂酸和余量石蠟。

(6)脫脂和預燒結：采用溶劑脫脂和熱脫脂兩步脫脂工藝，先在三氯乙烯中溶脫6～12h，預燒結溫度為900～1100℃，保溫時間為1～2h，得到脫脂坯體。

(7)燒結致密化：脫脂坯體在真空氣氛中進行燒結，真空度為1×10^-4Pa，燒結溫度為1760～1840℃，保溫時間為60～180min，得到鈮基合金。