[發明專利]一種Nb-Si基合金抗氧化成分快速篩選的高通量方法

在審

• 申請號: 202110274966.4
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113136551A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 周春根;沙江波;姜威
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/16;C22C27/02;C23C14/58
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明公開了一種Nb?Si基合金抗氧化成分快速篩選的高通量方法，包括：將制備的Nb?16Si?6Cr?24Ti?6Al基體安裝在多弧離子鍍基板正前方，將Cr靶材放置在多弧離子鍍靶座上部，將xNb?ySi?zTi?kAl合金靶材放置在靶座下部，利用多弧離子鍍技術，制備梯度Nb?Si基合金薄膜；將梯度Nb?Si基合金薄膜放置于真空環境中進行退火，之后放置于高溫下進行氧化；采用Raman光譜表征氧化薄膜氧化物組成以及分布，結合氧化前成梯度Nb?Si基合金薄膜成分，表征出各氧化物對應的合金元素含量，篩選出生成連續CrNbO₄外氧化膜對應的合金成分，從而快速篩選出最優抗氧化性能所需Nb?Si基合金成分。

技術領域

本申請涉及成分梯度合金薄膜制備以及成分篩選領域，更特別地涉及一種Nb-Si基合金抗氧化成分快速篩選的高通量方法。

背景技術

航空技術的快速發展對航空發動機葉片性能的要求越來越高，傳統的鎳基高溫合金已經達到使用溫度的上限，無法滿足先進航空發動機的使用需求，發展新型高溫合金基體材料成為發動機葉片研究的熱點。

Nb-Si基高溫合金具備高熔點、低密度和良好的高溫強度等優點，有望成為下一代航空領域使用的高溫合金。但是Nb-Si基高溫合金較差的高溫抗氧化能力，使其在高溫有氧環境中的應用受到了限制。Nb-Si基合金在高溫下會生成TiNb₂O₇和Nb₂O₅等內氧化物，這些氧化物疏松多孔，不具備抗高溫氧化性能。CrNbO₄外氧化膜結構致密能夠阻止高溫下氧原子擴散，顯著提高Nb-Si基合金的抗高溫氧化性能，適當的Cr元素能夠促進CrNbO₄氧化膜的形成。但是，生成連續CrNbO₄外氧化膜所需Cr元素含量仍未研究清楚，如何確定合適的元素添加量使Nb-Si基合金的耐氧化性能呈現最優水平，成為目前的研究重點。

目前主要通過傳統的“試錯法”篩選Nb-Si基合金抗高溫氧化性能最優的元素成分。即通過改變元素(Nb,Si,Cr,Ti,Al)的添加比例，制備出不同成分的Nb-Si基合金，然后依次對這些合金進行性能測試，通過測試結果選取出最優性能對應的元素成分比例。這種方法耗時耗力且成本極高。因此，急需研發一種新的篩選工藝，便于快速篩選出抗氧化性能最優的Nb-Si基合金成分，提高工作效率。

發明內容

為了解決上述已有技術存在的不足，本發明提出了一種Nb-Si基合金抗氧化成分快速篩選的高通量方法，通過多弧離子鍍技術，采用Cr靶材和Nb-Si合金靶材在Nb-16Si-6Cr-24Ti-6Al(at.％)基體上制備Cr，Nb，Ti，Si和Al元素含量呈梯度變化的Nb-Si基合金薄膜；對制備態合金薄膜進行退火處理使合金薄膜晶化，出現了與傳統電弧熔煉合金相同的相組成；對退火后合金薄膜進行氧化處理；采用Raman光譜表征氧化后薄膜氧化物種類以及分布，與氧化前合金薄膜成分分布進行對比，表征出每種氧化物對應的合金元素含量，篩選出生成連續CrNbO₄外氧化膜所對應的合金元素比例，從而快速的選取出抗氧化性能最優的Nb-Si基合金成分。

為實現上述目的，本發明提供了一種Nb-Si基合金抗氧化成分快速篩選的高通量方法，包括如下步驟：

(1)以Nb、Si、Ti、Cr、Al為合成原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術，制備Nb-16Si-6Cr-24Ti-6Al基體；

(2)以Cr為原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術制備Cr靶材；

(3)以Nb、Si、Ti、Al為合成原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術制備xNb-ySi-zTi-kAl合金靶材，其中，x＝55～65，y＝14～19，z＝18～25，k＝1～4，數值均為原子百分比；