一種鈮鎢鉬鋯合金鑄錠的製備方法

2023-12-03 09:55:16 2

專利名稱：一種鈮鎢鉬鋯合金鑄錠的製備方法
技術領域：
本發明屬於合金製備技術領域，具體涉及一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法。
背景技術：
Nb521鈮鎢合金是鈮鎢鑰鋯合金的一種，由基體金屬鈮與合金元素鎢、鑰和鋯組成；Nb521鈮鎢合金的名義成分為Nb-5. Off-2. OMo-1. OZr，可以在1500°C以下長期工作，在航天用火箭發動機部件有良好的使用前景。Nb521鈮鎢合金通常採用電子束爐進行熔煉鑄錠，Nb521鈮鎢合金的密度在8. 85g/cm3 9. Og/cm3之間。為了提高強度，通常會將Nb521鈮鎢合金鑄錠的碳含量提高到O. 05% O. 12%，這又會生成大量的碳化物如ZrC、WC，這些碳化物的硬度都非常高，會造成後續加工的棒材或板材出現意外的裂紋、分層及起皮缺陷。研 究表明，Nb521鈮鎢合金在鎢、鑰含量不變的條件下，僅增加鋯質量含量到1. 7%左右，就可以將合金密度降低到8. 75g/cm3左右，並且不會降低合金的室溫性能和高溫性能。與現有已經定型的航天用鈮鉿合金(NbHflO-1)相比，鋯質量含量為1. 65% 1. 75%的鈮鎢鑰鋯合金的可使用溫度能提高250°C，1600°C時的高溫強度是鈮鉿合金的二倍，而密度僅比鈮鉿合金增加了不到O. 15g/cm3,因此鋯質量含量為1. 65% 1. 75%的鈮鎢鑰鋯合金對於航天用途有重要意義。然而，在Nb521鈮鎢合金中增加鋯至鋯的質量含量不小於1. 0%後，採用傳統的電子束熔煉方式將會由於鋯在鈮中的固溶度及鋯與鈮密度的差異等物性特點，造成成品合金鑄錠中鋯的偏析程度超過50%，從而影響材料組織和性能的一致性。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術的不足，提供一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法。採用該方法製備的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠具有良好的組織成分均勻性，能夠在不改變鈮鎢鑰鋯合金的室溫性能和高溫性能的前提下保持鈮鎢鑰鋯合金具有低密度，對於航天用途有重要意義。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟一、將多根長度均為300mm 1500mm,寬度和厚度均為14mm 16mm的銀鶴鑰金屬條整齊疊放，使整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條的總長度為1200mm 1500_，總寬度為42mm 48mm,總厚度為56mm 64mm,再在整齊疊放後的銀鶴鑰金屬條中部水平鋪設第一純鋯板，然後將鋪設有第一純鋯板的鈮鎢鑰金屬條置於氬弧焊箱中，將第一純鋯板和整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條進行氬弧焊接，得到熔煉電極；所述第一純鋯板的長度和寬度均與整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條相同，所述第一純鋯板的重量為熔煉電極重量的1. 2% 1. 25% ；多根所述鈮鎢鑰金屬條中鎢的質量百分含量均為4. 7% 5. 0%，鑰的質量百分含量均為
2.0% 2. 3%，餘量均為鈮和不可避免的雜質；步驟二、將步驟一中所述熔煉電極置於真空電子束熔煉爐中，在真空度不大於2.O X IO-2Pa的條件下進行兩次真空電子束熔煉，得到半成品鑄錠；所述半成品鑄錠的橫截面為直徑為85mm 105mm的圓形；步驟三、將厚度為2.0mm的第二純鋯板裁剪成多根長度均為100mm，寬度均為8mm 13mm的純錯條,多根所述純錯條的總重量為步驟二中所述半成品鑄錠重量的O. 5%
O.75% ；步驟四、採用鐵絲將步驟三中多根所述純鋯條均緊密貼附於半成品鑄錠的外表面，然後將外表面貼附有多根純鋯條的半成品鑄錠置於氬弧焊箱中，將多根所述純鋯條均與半成品鑄錠進行氬弧焊接，之後除去鐵絲，得到電弧熔煉用自耗電極；多根所述純鋯條均沿長度方向與半成品鑄錠平行； 步驟五、將步驟四中所述電弧熔煉用自耗電極置於真空自耗電弧熔煉爐中進行兩次真空自耗電弧熔煉，得到鈮鎢鑰鋯合金鑄錠；所述鈮鎢鑰鋯合金鑄錠中鋯的質量百分含量為1. 65% 1. 75%。上述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟一中多根鈮鎢鑰金屬條的密度均為7. 9g/cm3 8. 4g/cm3。上述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟二中所述半成品鑄錠中錯的質量百分含量為1. 0% 1. 15%，氧的質量百分含量不大於O. 01%。上述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟二中所述半成品鑄錠的長度值為100的整數倍，所述半成品鑄錠長度的單位為mm。上述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟四中多根所述純鋯條緊密貼附於半成品鑄錠外表面的具體制度為首先將多根所述純鋯條每3根為一組共分成η組，其中η為正整數且η滿足10<η< 17 ;然後將每組純鋯條均在半成品鑄錠外表面均勻布設，其中第一組純鋯條一端與半成品鑄錠一端平齊，第二組純鋯條一端與第一組純鋯條另一端平齊並相對第一組純鋯條周向偏移30°，第三組純鋯條一端與第二組純鋯條另一端平齊並相對第二組純鋯條周向偏移30°，依此類推，直至第η組純鋯條一端與第(η-l)組純鋯條另一端平齊並相對第(η-l)組純鋯條周向偏移30° ;保持第二組純鋯條至第η組純鋯條周向偏移的方向一致。上述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟五中所述兩次真空自耗電弧熔煉的具體過程為首先將所述電弧熔煉用自耗電極在真空度不大於1. OPa的條件下進行第一次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為160mm的一次鑄錠；然後以所述一次鑄錠的頭部為第二次真空自耗電弧熔煉的起始端，將所述一次鑄錠在真空度不大於1. OPa的條件下進行第二次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為200mm的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠。上述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟五中所述鈮鎢鑰鋯合金鑄錠中氧的質量百分含量不大於O. 02%。本發明與現有技術相比具有以下優點1、本發明提供了一種製備鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的方法，本發明採用真空電子束熔煉和真空電弧熔煉相結合的熔煉工藝製備鈮鎢鑰鋯合金鑄錠；採用本發明製備的合金鑄錠具有良好的組織成分均勻性，能夠經過後續擠壓、鍛造、軋制等方法製造高溫用途的板材、棒材或管材。2、採用本發明製備的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠在鎢、鑰含量不變的條件下，僅將鋯的質量百分含量增加至1. 65% 1. 75%，能夠在不改變良好的室溫性能和高溫性能的前提下保持鈮鎢鑰鋯合金具有低密度，對於航天用途有重要意義。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。


圖1為本發明鋪設有第一純鋯板的整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條的剖面示意圖。圖2為本發明採用鐵絲將多根純鋯條貼附於半成品鑄錠外表面的整體結構示意圖。圖3為圖2的A-A剖視放大圖。
圖4為圖2的B-B剖視放大圖。附圖標記說明1-鈮鎢鑰金屬條； 2-第一純鋯板； 3-半成品鑄錠；4-純鋯條；5-鐵絲。
具體實施例方式實施例1本實施例的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法包括以下步驟步驟一、將48根寬度和厚度均為14mm，長度為300mm的鈮鎢鑰金屬條I整齊疊放，使整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條的長度為1200mm，寬度為42mm，厚度為56mm，再在整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條中部水平鋪設第一純鋯板2，然後將鋪設有第一純鋯板2的鈮鎢鑰金屬條置於氬弧焊箱中，將第一純鋯板2和整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條進行氬弧焊接，得到重量為22. 6Kg的熔煉電極；所述第一純鋯板2的長度和寬度均與整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條相同，所述第一純鋯板2的重量為熔煉電極重量的1. 25% ;所述鈮鎢鑰金屬條I由鈮粉、鎢粉和鑰粉混合壓制後燒結得到；所述鈮鎢鑰金屬條I中鎢的質量百分含量為4. 7%，鑰的質量百分含量為2. 3%，餘量為鈮和不可避免的雜質，所述鈮鎢鑰金屬條I的密度為7. 9g/cm3 ；步驟二、將步驟一中所述熔煉電極置於真空電子束熔煉爐中，在真空度為1.1X 10_2Pa的條件下進行兩次真空電子束熔煉，得到直徑為85mm，長度為IlOOmm的圓柱狀半成品鑄錠3,所述半成品鑄錠3中錯的質量百分含量為1. 15%,氧的質量含量為60ppm ；步驟三、將第二純鋯板裁剪成33根長度均為100mm，寬度均為8臟，厚度均為2. Omm的純鋯條4，33根所述純鋯條4的總重量為步驟二中所述半成品鑄錠3重量的O. 6% ;裁剪後33根純鋯條4的長度和寬度的誤差均不大於±0. 2mm ；步驟四、採用鐵絲5將步驟三中33根所述純鋯條4均緊密貼附於半成品鑄錠3的外表面，然後將外表面貼附有33根純鋯條4的半成品鑄錠3置於氬弧焊箱中，將33根所述純鋯條4 一端均與半成品鑄錠3進行氬弧焊接，之後除去鐵絲5，得到電弧熔煉用自耗電極；33根所述純鋯條3均與半成品鑄錠3沿長度方向平行；33根所述純鋯條4緊密貼附於半成品鑄錠3外表面的具體制度為首先將33根所述純鋯條4每3根為一組共分成11組；然後將每組純鋯條4均在半成品鑄錠3的外表面均勻布設，其中第一組純鋯條4 一端與半成品鑄錠3 —端平齊，第二組純鋯條4 一端與第一組純鋯條4另一端平齊並相對第一組純鋯條4周向偏移30°，第三組純鋯條4 一端與第二組純鋯條4另一端平齊並相對第二組純鋯條4周向偏移30°，依此類推，直至第11組純鋯條4 一端與第10組純鋯條4另一端平齊並相對第10組純鋯條4周向偏移30° ;保持第二組純鋯條4至第11組純鋯條4周向偏移的方向一致；步驟五、將步驟四中所述電弧熔煉用自耗電極置於真空自耗電弧熔煉爐中，首先將所述電弧熔煉用自耗電極在真空度為O. 47Pa的條件下進行第一次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為160mm的一次鑄錠；然後以所述一次鑄錠的頭部為第二次真空自耗電弧熔煉的起始端，將所述一次鑄錠在真空度為O. 47Pa的條件下進行第二次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為200mm的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠。本實施例的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠成分分析數據見表I。表I本發明實施例1的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠成分分析數據
分析化學元素，wt%
取樣位^W__Mo__Zr__O
上 5.13 2.04 1.67 0.016 中__5Λ2__100__L65__0.015
下__5Λ3__L97__IM__0.012由表I可知，本實施例的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠中鎢的質量百分含量為5. 12% 5. 13%，鑰的質量百分含量為1. 97% 2. 04%，鋯的質量百分含量為1. 65% 1. 67%，氧的質量百分含量為O. 012% O. 016%，說明本實施例的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠具有良好的組織成分均勻性。實施例2本實施例的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法包括以下步驟步驟一、將24根寬度和厚度均為15mm，長度為600mm的鈮鎢鑰金屬條I整齊疊放，使整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條的長度為1200mm，寬度為45mm，厚度為60mm，再在整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條中部水平鋪設第一純鋯板2，然後將鋪設有第一純鋯板2的鈮鎢鑰金屬條置於氬弧焊箱中，將第一純鋯板2和整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條進行氬弧焊接，得到重量為27. 2Kg的熔煉電極；所述第一純鋯板2的長度和寬度均與整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條相同，所述第一純鋯板2的重量為熔煉電極重量的1. 2% ;所述鈮鎢鑰金屬條I由鈮粉、鎢粉和鑰粉混合壓制後燒結得到；所述鈮鎢鑰金屬條I中鎢的質量百分含量為5. 0%，鑰的質量百分含量為2. 0%，餘量為鈮和不可避免的雜質，所述鈮鎢鑰金屬條I的密度為8. 3g/cm3 ；步驟二、將步驟一中所述熔煉電極置於真空電子束熔煉爐中在真空度為O. 8 X 10_2Pa的條件下進行兩次真空電子束熔煉，得到直徑為95mm，長度為IOOOmm的圓柱狀半成品鑄錠3,所述半成品鑄錠3中錯的質量百分含量為1. 0%,氧的質量含量為50ppm ；步驟三、將第二純鋯板裁剪成30根長度均為100mm，寬度均為11. 3mm,厚度均為
2.Omm的純錯條4, 30根所述純錯條4的總重量為步驟二中所述半成品鑄錠3重量的O. 7% ；裁剪後30根純鋯條4的長度和寬度的誤差均不大於±0. 2mm ;步驟四、採用鐵絲5將步驟三中30根所述純鋯條4均緊密貼附於半成品鑄錠3的外表面，然後將外表面貼附有30根純鋯條4的半成品鑄錠3置於氬弧焊箱中，將30根所述純鋯條4 一端均與半成品鑄錠3進行氬弧焊接，之後除去鐵絲5，得到電弧熔煉用自耗電極；30根所述純鋯條3均與半成品鑄錠3沿長度方向平行；30根所述純鋯條4緊密貼附於半成品鑄錠3外表面的具體制度為首先將30根所述純鋯條4每3根為一組共分成10組，然後將每組純鋯條4均在半成品鑄錠3的外表面均勻布設，其中第一組純鋯條4 一端與半成品鑄錠3 —端平齊，第二組純鋯條4 一端與第一組純鋯條4另一端平齊並相對第一組純鋯條4周向偏移30°，第三組純鋯條4 一端與第二組純鋯條4另一端平齊並相對第二組純鋯條4周向偏移30°，依此類推，直至第10組純鋯條4 一端與第9組純鋯條4另一端平齊並相對第9組純鋯條4周向偏移30° ;保持第二組純鋯條4至第10組純鋯條4周向偏移的方向一致；步驟五、將步驟四中所述電弧熔煉用自耗電極置於真空自耗電弧熔煉爐中，首先將所述電弧熔煉用自耗電極在真空度為O. 53Pa的條件下進行第一次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為160mm的一次鑄錠；然後以所述一次鑄錠 的頭部為第二次真空自耗電弧熔煉的起始端，將所述一次鑄錠在真空度為O. 53Pa的條件下進行第二次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為200mm的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠。本實施例的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠成分分析數據見表2。表2本發明實施例2的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠成分分析數據
權利要求
1.一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 步驟一、將多根長度均為300mm 1500mm,寬度和厚度均為14mm 16mm的銀鶴鑰金屬條(I)整齊疊放，使整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條的總長度為1200mm 1500_，總寬度為42mm 48mm,總厚度為56mm 64mm,再在整齊疊放後的銀鶴鑰金屬條中部水平鋪設第一純鋯板(2)，然後將鋪設有第一純鋯板(2)的整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條置於氬弧焊箱中，將第一純鋯板(2)和整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條進行氬弧焊接，得到熔煉電極；所述第一純鋯板(2)的長度和寬度均與整齊疊放後的鈮鎢鑰金屬條相同，所述第一純鋯板(2)的重量為熔煉電極重量的1. 2% 1. 25% ;多根所述鈮鎢鑰金屬條(I)中鎢的質量百分含量均為4.7% 5. 0%，鑰的質量百分含量均為2. 0% 2. 3%，餘量均為鈮和不可避免的雜質； 步驟二、將步驟一中所述熔煉電極置於真空電子束熔煉爐中，在真空度不大於2.OX ICT2Pa的條件下進行兩次真空電子束熔煉，得到半成品鑄錠(3);所述半成品鑄錠(3)的橫截面為直徑為85mm 105mm的圓形； 步驟三、將厚度為2. Omm的第二純鋯板裁剪成多根長度均為100mm，寬度均為8mm 13mm的純鋯條(4)，多根所述純鋯條(4)的總重量為步驟二中所述半成品鑄錠(3)重量的0.5% O. 75% ； 步驟四、採用鐵絲(5)將步驟三中多根所述純鋯條(4)均緊密貼附於半成品鑄錠(3)的外表面，然後將外表面貼附有多根純鋯條(4)的半成品鑄錠(3)置於氬弧焊箱中，將多根所述純鋯條(4)均與半成品鑄錠(3)進行氬弧焊接，之後除去鐵絲(5)，得到電弧熔煉用自耗電極；多根所述純鋯條(4)均沿長度方向與半成品鑄錠(3)平行； 步驟五、將步驟四中所述電弧熔煉用自耗電極置於真空自耗電弧熔煉爐中進行兩次真空自耗電弧熔煉，得到鈮鎢鑰鋯合金鑄錠；所述鈮鎢鑰鋯合金鑄錠中鋯的質量百分含量為1.65% 1. 75%。
2.根據權利要求1所述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟一中多根銀鶴鑰金屬條(I)的密度均為7. 9g/cm3 8. 4g/cm3。
3.根據權利要求1所述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟二中所述半成品鑄錠(3)中錯的質量百分含量為1. 0% 1. 15%,氧的質量百分含量不大於O. 01%。
4.根據權利要求1所述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟二中所述半成品鑄錠(3)的長度值為100的整數倍，所述半成品鑄錠(3)長度的單位為mm。
5.根據權利要求1所述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟四中多根所述純鋯條(4)緊密貼附於半成品鑄錠(3)外表面的具體制度為首先將多根所述純鋯條(4)每3根為一組共分成η組，其中η為正整數且η滿足10 < η < 17 ;然後將每組純鋯條(4)均在半成品鑄錠(3)外表面均勻布設，其中第一組純鋯條(4) 一端與半成品鑄錠(3)—端平齊，第二組純鋯條(4)一端與第一組純鋯條(4)另一端平齊並相對第一組純鋯條(4)周向偏移30°，第三組純鋯條(4)一端與第二組純鋯條(4)另一端平齊並相對第二組純鋯條(4)周向偏移30°，依此類推，直至第η組純鋯條(4) 一端與第(η-1)組純鋯條(4)另一端平齊並相對第(η-1)組純鋯條(4)周向偏移30° ;保持第二組純鋯條(4)至第η組純錯條(4)周向偏移的方向一致。
6.根據權利要求1所述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟五中兩次真空自耗電弧熔煉的具體過程為首先將所述電弧熔煉用自耗電極在真空度不大於1. OPa的條件下進行第一次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為160mm的一次鑄錠；然後以所述一次鑄錠的頭部作為第二次真空自耗電弧熔煉的起始端，將所述一次鑄錠在真空度不大於1.OPa的條件下進行第二次真空自耗電弧熔煉，得到直徑為200mm的鈮鎢鑰鋯合金鑄錠。
7.根據權利要求1所述的一種鈮鎢鑰鋯合金鑄錠的製備方法，其特徵在於，步驟五中所述鈮鎢鑰鋯合金鑄錠中氧的質量百分含量不大於0. 02%。
全文摘要
本發明提供了一種鈮鎢鉬鋯合金鑄錠的製備方法，包括以下步驟一、將多根鈮鎢鉬金屬條整齊疊放，並在疊放後的鈮鎢鉬金屬條中部鋪設第一純鋯板，然後焊接成熔煉電極；二、將熔煉電極進行兩次真空電子束熔煉，得到半成品鑄錠；三、將第二純鋯板裁剪成多根純鋯條；四、將純鋯條緊密貼附於半成品鑄錠外表面，得到電弧熔煉用自耗電極；五、進行兩次真空自耗電弧熔煉，得到鈮鎢鉬鋯合金鑄錠。採用本發明製備的鈮鎢鉬鋯合金鑄錠具有良好的組織成分均勻性，能夠在不改變優良的室溫性能和高溫性能的前提下保持低密度，對於航天用途有重要意義。
文檔編號C22C1/02GK103014386SQ20121052885
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者武宇, 趙鴻磊, 王飛, 郭海生, 姚修楠, 宜楠, 文琳, 張琨宇 申請人:西安諾博爾稀貴金屬材料有限公司