一種鈮鈦矽鋯鉿硼合金及其製備方法

2023-04-25 11:44:56 2

專利名稱：：一種鈮鈦矽鋯鉿硼合金及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種鈮鈦矽鋯鉿硼NbTiSiZrHfB合金材料，是通過在鈮基體中添加鈦、鉿、鋯、硼元素進行韌化，添加矽元素形成高溫強化相矽化物Nb5Si3進行強化的方式來提高鈮基合金的室溫韌性並保持一定高溫力學性能的一種新型合金材料。技術背景隨著我國航空航天事業的蓬勃發展，要求發動機具有更高的推重比和工作效率,必須提高其工作溫度。作為高溫結構材料，必須在高溫強度、蠕變抗力、室溫韌性、抗氧化性和密度等方面具有良好的綜合性能。目前最先進的葉片材料，鎳基單晶高溫合金，如CMSX-10,ReneN6等的最高工作溫度為11001150°C，達到了該類材料熔點的8085%,接近使用溫度的極限。因此，研製新的具有更高耐溫能力的材料是一項十分緊迫的任務。過度族難熔金屬鈮Nb是一種具有高熔點(2467t:)、適當的密度(8.55g/cm3)、良好的室溫韌性和易於合金化的金屬元素，是最有希望在超高溫領域應用的金屬材料。Nb可以和許多合金元素形成置換固溶體(如Mo、W、Al、Hf、Ti、Zr、Si等)和金屬間化合物。為提高Nb系合金的綜合性能，特別是強度和韌性的配合，對Nb進行韌化和並引入強化相強化是非常有效的手段。
發明內容本發明的目的是提出一種高強度Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金材料，該Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金應用多元合金化方法在鈮中添加韌化元素Ti、Hf和B等元素達到對固溶體的進一步韌化，添加可形成高溫強化相矽化物NbsSi3的Si元素，可滿足對強度的需求。上述設計方法得到的Nb基合金可以作為太空飛行器在1100125(TC範圍內使用的高溫結構材料，具有韌性和強度性能平衡的特徵，可以超越目前金屬鎳基、鐵基和鈷基高溫材料的承溫能力，滿足韌性和強度配合的需要。本發明的一種鈮鈦矽鋯鉿硼NbTiSiZrHffl合金材料由46~82.5at。/。的鈮Nb、1030at。/。鈦Ti、3at%10at。/。的矽Si、0.54at。/。的鋯Zr、28at。/。的鉿Hf和2at。/。的硼B組成，並且上述各成分的含量之和為100%。所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金材料，其組份有Nb77.5Ti1C)Si4Zr。.5Hf6B2或者Nb5。Ti加Si8Zr4Hf6B2或者Nb64Ti2。Si8Zr4Hf2B2。所述鈮鈦矽鋯鉿硼合金材料的密度為7.030~8.185g/cm3。所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金材料，在室溫25t:下的斷裂韌性為1337MPa■m1/2;屈服強度為700~1300MPa;維氏硬度為HV280420。所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金材料，在抗拉強度為1205~1625Mpa時，變形率為5%~22%;本發明的一種鈮鈦矽鋯鉿硼合金材料的製備方法，包括下列步驟(1)按成份配比稱取純度為99.99。/。的鈮Nb、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99。/。的矽Si、純度為99.99。/。的鋯Zr、純度為99.99。/。的鉿Hf和純度為99.999%的硼B;(2)將上述稱取的鈮、鈦、矽、鋯、鉿和硼原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至15X10-3pa，充入髙純氬氣至1.0lXl05Pa，然後在20002400。C熔煉成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材；(3)將上述製得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度15X10-3Pa，熱處理溫度1600。C下保溫50小時後，隨爐冷卻，即得到Nb4682,5T"。3。Si3"。Zr。.54Hf28B2合金材料。本發明Nb4682.5Tiw3。Si3i。Zr。.54Hf28B2合金材料的優點在Nb基礎上，添加韌化元素Ti、Hf、Zr和B等，以及可形成矽化物的Si元素，應用多元合金化,固溶體韌化和高溫強化相矽化物Nb5Si3強化的設計思想可提高鈮基合金的韌性和強度。這類合金密度為7.0308.185g/cm3，低於鎳Ni基超合金的密度(Ni基密度為89g/cm3)，在具有良好韌性和強度配合的優點。圖1是NbsoTi3oSi8Zr4HfeB2合金在室溫下的三點彎曲力學試驗的載荷-位移曲線。具體實施方式下面將結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明的一種鈮鈦矽鋯鉿硼NbTiSiZrHfB合金材料由46~82.5at。/。的鈮Nb、1030at。/。鈦Ti、3at%10at。/。的矽Si、0.5~4at。/。的鋯Zr、28at。/。的鉿Hf和2at。/。的硼B組成，並且上述各成分的含量之和為100%。本發明的一種鈮鈦矽鋯鉿硼合金材料的製備方法，包括下列步驟(1)按成份配比稱取純度為99.99yo的鈮Nb、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99。/。的矽Si、純度為99.99。/。的鋯Zr、純度為99.99。/。的鉿Hf和純度為99.999%的硼B;(2)將上述稱取的鈮、鈦、矽、鋯、鉿和硼原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至15xl0—3Pa,充入髙純氬氣至1.01Xl05Pa,然後在20002400。C熔煉成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材；(3)將上述製得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度l5xlO_3Pa，熱處理溫度1600。C下保溫50小時後，隨爐冷卻，即得到Nb46~82.5Ti1。~3。Si3~1。Zr。.5~4Hf2~8B2合金材料。採用線切割方法，在上述製得的Nb4"82,5Ti^3。Si3M。ZrQ.5—Hf28B2合金材料中分別切出三點彎曲和壓縮試樣。三點彎曲試樣尺寸為6mmX3mmX30mm，並用線切割方法切出長度為a的預製裂紋(a/w=0.5，w為試樣寬度)；壓縮試樣為直徑d=3mm，高度h=5mm的圓柱體，釆用SANS電子式材料實驗機進行室溫(25°C)三點彎曲和壓縮應力-應變測試。三點彎曲加載速率為0.1mm/min，直至裂紋失穩擴展，壓縮應變速率為3X1048-1。所有試樣在實驗前用1000井SiC砂紙進行表面拋光。經測試Nb46^2.5Ti^3。Si3"。Zr。.5"Hf^8B2合金材料的主要性能參數如下表所示斷裂韌性(MPam1/2)屈服強度(MPa)抗壓強度(MPa)變形率(％)維氏硬度(HV)密度(g/cm3)13~37700~13001205~16255~222804207.0308.185本發明的Nb4682.5Tiw3oSiw。Zr。.54Hf28B2合金材料，可以超越目前金屬鎳基、鐵基和鈷基高溫材料承溫能力，可以滿足韌性和強度的不同需要，作為高溫結構材料使用。實施例1:制Nb775TiwSi4Zr。.sHf6B2合金材料(1)按Nb77.5T"。S"Zr。.5Hf6B2成份配比稱取純度為99.99。/。的鈮Nb、純度為99.99%的鈦Ti、純度為99.99%的矽Si、純度為99.99%的鋯Zr、純度為99.99%的鉿Hf和純度為99.999%的硼B;(2)將上述稱取的鈮、鈦、矽、鉿和硼原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至3X10—3Pa，充入高純氬氣至1.0lXl05Pa,然後在2400。C熔煉成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材；(3)將上述製得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度3X10—3Pa，熱處理溫度160CTC下保溫50小時後，隨爐冷卻，即得到Nb77.5Tii。Si4Zr。.5Hf6B2合金材料。釆用線切割方法，在上述製得的Nb77.5T"。Si4Zr。.sHf6B2合金材料中，分別切出三點彎曲和壓縮試樣。三點彎曲試樣尺寸為6mmX3mmX30mm，並用線切割方法切出長度為a的預製裂紋(a/w=0.5，w為試樣寬度)；壓縮試樣為直徑d=3mm,高度h=5mm的圓柱體，採用SANS電子式材料實驗機進行室溫三點彎曲和壓縮應力-應變測試。三點彎曲加載速率為0.1mm/min，直至裂紋失穩擴展，壓縮應變速率為3X104s"。所有試樣在實驗前用1000井SiC砂紙進行表面拋光。對測試獲得的參數經計算得到Nb77.5Ti^Si4Zr。.sHf6B2合金材料的斷裂韌性為19MPam1/2。Nb77.5Tii。Si4Zr。.5Hf6B2合金材料在本發明的成份範圍內，具有兩相Nbss/NbsSi3結構，在Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B高溫合金中具有良好的韌性和最大的塑性變形率，各性能參數見表一。實施例2:制Nb5。Ti3。SisZr4Hf6B2合金材料(1)按Nb5。Ti3。Si8Zr4Hf6B2成份配比稱取純度為99.99%的鈮Nb、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99%的矽Si、純度為99.99%的鋯Zr、純度為99.99%的鉿Hf和純度為99.999%的硼B;(2)將上述稱取的鈮、鈦、矽、鋯、鉿和硼原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至3X10—3Pa,充入高純氬氣至1.01X105Pa,然後在2000。C熔煉成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材；(3)將上述製得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度3X10—Pa，熱處理溫度160CTC下保溫50小時後，隨爐冷卻，即得到Nbs。Ti3。SisZr4Hf6B2合金材料。採用與實施例l相同的測試方法進行合金材料性能檢測，各性能參數見表一。室溫下Nbs。Ti3。Si8Zr4Hf6B2的壓縮應力應變曲線參見圖1。圖中，恥5(^3(^821"41682合金材料的最大抗壓強度為1625MPa,變形率為5%。實施例3:制Nb64Ti加Si8Zr4Hf2B2合金材料(1)按Nb64Ti2。Si8Zr4Hf2B2成份配比稱取純度為99.99%的鈮Nb、純度為99.99%的鈦Ti、純度為99.99%的矽Si、純度為99.99%的鋯Zr、純度為99.99%的鉿Hf和純度為99.999%的硼B;(2)將上述稱取的鈮、鈦、矽、鋯、鉿和硼原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至5X10—3Pa，充入高純氬氣至1.01X105Pa，然後在2250。C熔煉成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材；(3)將上述製得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度5xlO一Pa，熱處理溫度1600。C下保溫50小時後，隨爐冷卻，即得到！^64^2。81821:4招282合金材料。採用與實施例l相同的測試方法進行合金材料性能檢測，各性能參數見表一。表一Nb77.5Ti10Si4Zr0.5Hf6B2、Nb50Ti30Si8Zr4Hf6B2、Nb64Ti20Si8Zr4Hf2B2合金材料的主要性能參數如下表所示tableseeoriginaldocumentpage7權利要求1、一種鈮鈦矽鋯鉿硼合金，其特徵在於該合金由46～82.5at％的鈮Nb、10～30at％鈦Ti、3at％～10at％的矽Si、0.5～4at％的鋯Zr、2～8at％的鉿Hf和2at％的硼B組成，並且上述各成分的含量之和為100％。2、根據權利要求1所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金，其特徵在於合金組份有Nb77.5Tii。Si4Zr。.sHf6B2或者Nb5。Ti3。Si8Zr4Hf6B2或者Nb64Ti2。Si8Zr4Hf2B2。3、根據權利要求1所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金，其特徵在於該合金材料的密度為7.030~8.185g/cm3。4、根據權利要求1所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金，其特徵在於該合金材料在室溫下的斷裂韌性為1337MPam1/2;在室溫下的屈服強度為700~1300MPa;在室溫下的維氏硬度為HV280~420。5、根據權利要求1所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金，其特徵在於該合金材料在抗拉強度為12051625MPa時，變形率為5%22%。6、一種製備如權利要求1所述的鈮鈦矽鋯鉿硼合金的方法，其特徵在於有下列步驟.-(1)按成份配比稱取純度為99.99G/。的鈮Nb、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99。/。的矽Si、純度為99.99。/。的鋯Zr、純度為99.99。/。的鉿Hf和純度為99.999%的硼B;(2)將上述稱取的鈮、鈦、矽、鋯、鉿和硼原料放入非自耗真空電弧爐內，抽真空至15Xl0—3pa，充入高純氬氣至1.01Xl05Pa，然後在20002400。C熔煉成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材；(3)將上述製得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金錠材放入真空熱處理爐內進行熱處理，在真空度15X10—3Pa，熱處理溫度160(TC下保溫50小時後，隨爐冷卻，即得到Nb4682.5T"o3。Si3"oZr。.54Hf28B2合金材料。全文摘要本發明公開了一種鈮鈦矽鋯鉿硼NbTiSiZrHfB合金，該合金由46～82.5at％的鈮Nb、10～30at％鈦Ti、3at％～10at％的矽Si、0.5～4at％的鋯Zr、2～8at％的鉿Hf和2at％的硼B組成。該鈮鈦矽鋯鉿硼合金材料的密度為7.030～8.185g/cm3；在室溫下的斷裂韌性為13～37MPa·m1/2；在室溫下的屈服強度為700～1300MPa；在室溫下的維氏硬度為HV280～420。文檔編號C22F1/18GK101235455SQ20081010160公開日2008年8月6日申請日期2008年3月10日優先權日2008年3月10日發明者軍劉,虎張,徐惠彬,沙江波,穎陳申請人:北京航空航天大學