一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法
【專利摘要】本發明公開一種改善Nb?Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，屬于超高溫結構材料領域。本發明應用等離子旋轉電極霧化法，以Nb?Si基多元合金棒作為旋轉電極，以等離子束為加熱源，通過合理的旋轉速度和等離子束功率參數設置，在真空條件下制備具有微米?亞微米級相尺寸的Nb?Si基多元合金粉末。再以該粉末為原料，應用放電等離子技術燒結制備出組織均勻致密的Nb?Si基多元合金錠，顯微組織由微米?亞微米級的NbSS固溶體和Nb5Si3強化相兩相組成。本發明通過等離子旋轉電極霧化技術和放電等離子燒結技術相結合，細化了Nb?Si基多元合金組織，使Nb?Si基多元合金中NbSS固溶體相的室溫斷裂式由傳統凝固條件下的解理型斷裂轉變成延性的韌窩型斷裂，大幅改善了Nb?Si基多元合金的室溫斷裂韌性。該細化Nb?Si基多元合金組織的制備方法實用性較強。
【專利說明】
一種改善Nb-S i基多元合金室溫斷裂韌性的方法
技術領域
[0001 ] 本發明公開一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，屬于超高溫結構材料領域，特別涉及通過等離子旋轉電極霧化技術和放電等離子燒結技術相結合改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性。
【背景技術】
[0002]隨著現代航空航天技術的不斷發展，對先進燃氣渦輪發動機的渦輪前溫度和推重比提出了更高的要求，高推重比發動機要求葉片材料本身的承溫能力達到1200?1400°C。目前最先進的葉片材料一一第三代鎳基單晶合金的承溫能力約為1150°C，并已達到其熔點的85%，接近其極限使用溫度，不能滿足高推重比航空航天發動機的設計要求。因此，研制具有更尚承溫能力的超尚溫結構材料迫在眉睫。
[0003]Nb-Si基超高溫合金，也稱Nb-Si基自生復合材料，具有高熔點(>1750 °C )、低密度(6.6-7.2g/cm3)、良好的高溫強度及一定的斷裂韌性、疲勞性能和可加工性等優點，是極具競爭力的新型高溫結構材料之一。作為超高溫結構材料，必須滿足室溫韌性、高溫強度和抗氧化性等綜合性能的平衡。Nb-Si基合金主要由Nb基固溶體(Nbss)和硅化物Nb5Si3組成，根據復合材料設計原理，Nbss相提供室溫塑韌性而Nb5Si3相提供高溫強度，同時添加Cr元素而形成Cr2Nb相，可提高Nb-Si基多元合金的高溫抗氧化性能。調整Nbss、Nb5Si3和Cr2Nb三相含量可以在一定程度上獲得室溫韌性、高溫強度和抗氧化性等綜合性能匹配。
[0004]室溫韌性是超高溫結構材料所要求的重要性能指標之一，目前采用鑄造方法制備的凝固組織晶粒粗大且成分分布不均勻，Nbss相往往發生解理斷裂，不能充分發揮其韌化作用，造成Nb-Si基合金室溫韌性低，是制約該合金實際應用的一大瓶頸。現階段采用的提高Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法主要是加入韌化Nb的元素Ti和Hf以及使用定向凝固技術。添加Ti韌化Nbss可提高Nb-Si基合金的斷裂韌性，但隨著Ti含量的增加，合金承溫能力降低；定向凝固技術可以減少缺陷，降低合金的缺口敏感性而改善韌性，但制備工藝復雜，Nbss相依然發生解理斷裂，難以完全保證室溫斷裂韌性。因此，仍需繼續研發一種有效改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，以保證作為航空發動機葉片材料的Nb-Si基多元合金在服役過程中的可靠性。
【發明內容】
[0005]本發明正是針對鑄態Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性較差的問題，在兼顧高溫強度的前提下，提供了一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法。先利用等離子旋轉電極霧化技術制備出球形、無偏析、組織細小均勻的Nb-Si基多元合金粉末，再以該粉末為原料利用放電等離子燒結技術制備Nb-Si基多元合金錠(以后簡稱粉末冶金合金)，獲得微米-亞微米級的Nbss/Nb5Si3兩相組織，這時Nbss相室溫斷裂式由鑄態條件下的解理型斷裂轉變成韌窩型斷裂，大幅改善了 Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性。本發明提供了一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，包括以下步驟:[000?] (I)以一定原子比的Nb-Si基多元合金元素為合成原料，制備Nb-Si基多元合金棒；
[0007](2)將Nb-Si基多元合金棒固定在等離子旋轉電極設備的裝樣室，密封裝置抽真空后充入保護氣體進行氣氛保護；
[0008](3)設定等離子槍功率、等離子弧電流和電極棒轉速等工藝參數，使高速旋轉的Nb-Si基多元合金棒料端部熔化，在離心力作用下熔化體霧化成液滴飛射出去，同時在惰性氣體中冷卻，液滴凝固成Nb-Si基多元合金球形粉末顆粒；
[0009](4)利用放電等離子燒結爐，在一定的熱壓溫度、壓力和保壓時間下對Nb-Si基多元合金粉末進行燒結，使致密化過程在極短時間內完成，燒結完成后試樣進行隨爐冷卻;關閉系統，待部件冷卻至室溫時取出，整個粉末冶金合金的制備過程是在真空條件下進行。
[0010](5)用線切割機床從粉末冶金合金錠與非自耗真空電弧熔煉制得的鑄態合金錠(以后簡稱鑄態合金)中切取單邊缺口三點彎曲試樣;利用電子萬能試驗機對試樣進行三點彎曲試驗，算出斷裂韌性，并取平均值。
[0011](6)利用掃描電鏡觀察試樣的組織形貌、三點彎曲后的斷形貌口，比較粉末冶金合金與鑄態合金室溫斷裂韌性的差異。
[0012]步驟(I)中所選用的Nb-Si基多元合金棒由非自耗真空電弧熔煉+感應熔煉澆鑄而成，棒料尺寸C>75mmX 150mm。
[0013]步驟(3)中，等離子旋轉電極工藝對試樣進行制粉時具體的參數:等離子槍功率100?200kW，等離子槍起弧電流100?200A，等離子槍工作電壓40?50V，電極棒轉速10000?15000m/mino
[0014]步驟(4)中，利用放電等離子燒結爐對金屬粉末進行燒結，使合金致密化，燒結參數:熱壓溫度1300 °C，壓力50MPa，保壓時間5min，隨爐冷卻至室溫。
[0015]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al。
[0016]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al。
[0017]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-20S1-24T1-2Cr-2Al。
[0018]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al。
[0019]步驟(5)中，利用三點彎曲法測量室溫斷裂韌性，壓頭加載速率為lmm/min，支撐點距離為24mm，試樣尺寸為3mm X 6mm X 30mm，用直徑為0.2mm的銅絲在試樣中部切出3mm深的缺口。
[0020]制備獲得了組織細小(相尺寸<2μπι)、均勻且致密的Nb-Si基多元粉末冶金合金錠，組織由Nbss固溶體和Nb5Si3強化相組成，這時Nb-Si基多元合金中Nbss相的室溫斷裂方式由鑄態的解理型斷裂轉變成韌窩型斷裂，大幅改善了 Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性。
[0021]本發明的特點是:
[0022](I)本發明利用等離子旋轉電極法所制備的Nb-Si基多元合金粉末，粉末成球形，粉末表面光亮潔凈，粒度分布均勻；
[0023](2)本發明中利用放電等離子燒結爐所制備的Nb-Si基多元合金，組織細小，相分布均勻，致密度高，Nbss固溶體和Nb5Si3強化相尺寸<2μπι。
[0024](3)本發明針對室溫韌性較差的鑄造Nb-Si基多元合金，結合等離子旋轉電極霧化技術和放電等離子燒結技術，細化了Nbss相尺寸，改變了Nbss相室溫下的斷裂方式，由解理型斷裂轉化成韌窩型斷裂，能充分發揮Nbss相的韌性。
[0025](4)本發明所用方法簡單實用，在兼顧強度的前提下使Nb-Si基多元合金的室溫斷裂韌性提高了50%以上。此外，本發明的細化組織方法還可以推廣到其他超高溫合金材料領域。
【附圖說明】
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[0026]附圖1Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金XRD圖譜；
[0027]附圖2 Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金未經本發明處理，組織形貌和斷口的掃描電鏡圖片；
[0028]附圖3 Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金經過本發明處理，組織形貌和斷口的掃描電鏡圖片；
[0029]附圖4Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金XRD圖譜；
[0030]附圖5 Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金經過本發明處理，組織形貌和斷口的掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0031]以下結合實例對本發明做進一步闡述，但本發明并不局限于具體實施例。
[0032]實施例1
[0033]利用等離子旋轉電極霧化技術和放電等離子燒結技術相結合改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性，步驟如下:
[0034]1.以Nb、S1、T1、Cr、Al為合成原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術和感應熔煉澆鑄技術得到Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金棒，尺寸Φ 75mm X 150mm，表面磨光，清洗后干燥備用；
[0035]2.將Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金棒固定在等離子旋轉電極霧化設備的裝樣室，密封裝置抽真空后充入高純氬氣(99.99% )進行氣氛保護；
[0036]3.設定等離子槍功率、等離子弧電流和電極棒轉速等工藝參數，使高速旋轉的Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金棒料端部熔化，在離心力作用下熔化體霧化成液滴飛射出去，同時在惰性氣體中快速冷卻，液滴凝固成球形粉末顆粒，粉末尺寸為0.5mm，每個粉末顆粒中Nbss/Nb5Si3兩相尺寸<2μπι。具體的參數:等離子槍功率200kW，等離子槍起弧電流180A，等離子槍工作電壓48V，電極棒轉速15000m/min;
[0037]4.利用放電等離子燒結爐，在一定的熱壓溫度、壓力和保壓時間下對Nb-22Si_24T1-2Cr-2Al合金金屬粉末進行燒結，使致密化過程在極短時間內完成，燒結完成后試樣進行隨爐冷卻至室溫。燒結參數:熱壓溫度1300 0C，壓力50MPa，保壓時間5min;
[0038]5.將上述所制得的粉末冶金Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金與鑄態Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金用線切割機床切取單邊缺口三點曲試樣;利用電子萬能試驗機進行三點彎曲試驗，計算斷裂韌性，并取平均值；
[0039]6.利用掃描電鏡觀察試樣的組織形貌和三點彎曲后斷形貌口，比較粉末冶金合金與鑄態合金室溫斷裂韌性的差異。
[0040]由附圖1的X射線衍射圖分析可知Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金由Nbss固溶體和Nb5Si3兩相組成。圖2鑄態合金的組織中淺色相為Nbss固溶體，深色相為Nb5Si3相(圖2(a))，Nbss固溶體分布在Nb5Si3基體上，兩相尺寸粗大，Nbss相以解理方式斷裂(圖2(b))。[0041 ]由附圖3可以看出，粉末冶金合金以Nbss固溶體為基體，Nb5Si3相彌散分布，兩相尺寸<2μπι(圖3(a))。合金中Nbss相的室溫斷裂方式是韌窩型斷裂(圖3(b))。通過三點彎曲試驗Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al合金的室溫斷裂韌性由鑄態時的11.3MPa.提高到由粉末冶金態的18.4MPa.m1/2，提升了50%以上。
[0042]實施例2
[0043]利用等離子旋轉電極霧化法+放電等離子燒結法改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性，步驟如下:
[0044]1.以Nb、S1、T1、Cr、Al為合成原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術和感應熔煉澆鑄技術得到Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金棒，試樣尺寸Φ 75mm X 150mm；
[0045]2.將Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金試樣固定在等離子旋轉電極設備的裝樣室，密封裝置抽真空后充入高純氬氣(99.99% )進行氣氛保護；
[0046]3.設定等離子槍功率、等離子弧電流和電極棒轉速等工藝參數，使高速旋轉的Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金棒料端部熔化，在離心力作用下熔化體霧化成液滴飛射出去，同時在惰性氣體中快速冷卻，液滴凝固成球形粉末顆粒，粉末尺寸為0.5mm，每個粉末顆粒中Nbss/Nb5Si3兩相尺寸<2μπι。具體的參數:等離子槍功率200kW，等離子槍起弧電流180A，等離子槍工作電壓48V，電極棒轉速15000m/min;
[0047]4.利用放電等離子燒結爐，在一定的熱壓溫度、壓力和保壓時間下對Nb-1SS1-24T1-2Cr-2Al合金金屬粉末進行燒結，使致密化過程在極短時間內完成，燒結完成后試樣進行隨爐冷卻，燒結參數:熱壓溫度13000C，壓力50MPa，保壓時間5min ；
[0048]5.將上述所制得的粉末冶金Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金與鑄態Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金用線切割機床切取單邊缺口三點曲試樣;利用電子萬能試驗機進行三點彎曲試驗，計算斷裂韌性，并取平均值；
[0049]6.利用掃描電鏡觀察試樣的組織形貌和斷形貌口，比較粉末冶金合金與鑄態合金室溫斷裂韌性的差異。
[0050]由附圖4的X射線衍射圖分析可知Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al合金由Nbss固溶體和Nb5Si3兩相組成。由附圖5可以看出粉末冶金合金以淺色Nbss相為基體，深色的Nb5Si3相均勻彌散粉末在基體上，兩相尺寸<2μπι(圖5(a))，合金中Nbss相的室溫斷裂式為韌窩型斷裂(圖5
(b))o
[0051]以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，制備過程包括以下步驟: (1)以一定原子比的Nb-Si基多元合金元素為合成原料，制備Nb-Si基多元合金棒； (2)將Nb-Si基多元合金棒固定在等離子旋轉電極設備的裝樣室，密封裝置抽真空后充入保護氣體進行氣氛保護； (3)設定等離子槍功率、等離子弧電流和電極棒轉速等工藝參數，讓等離子槍掃描高速旋轉的Nb-Si基多元合金棒料端部使其熔化，在離心力作用下熔化體霧化成液滴飛射出去，同時在惰性氣體中冷卻，液滴凝固成球形粉末顆粒； (4)利用放電等離子燒結爐，在一定的熱壓溫度、壓力和保壓時間下對金屬粉末進行燒結，使致密化過程在極短時間內完成，燒結完成后試樣隨爐冷卻(以后簡稱為粉末冶金試樣)； (5)將上述所制得粉末冶金塊體試樣與非自耗真空電弧熔煉所制得的鑄態試樣(以后簡稱為鑄態試樣)用線切割機床切取單邊缺口三點彎曲試樣;在室溫下利用電子萬能試驗機對試樣進行三點彎曲試驗，計算出斷裂韌性，并取平均值。 (6)利用掃描電子顯微鏡觀察試樣的組織形貌和斷形貌口，比較粉末冶金合金與鑄態合金的室溫斷裂韌性的差異。2.根據權利要求1所述的一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，步驟(I)中所選用的Nb-Si基多元合金錠由非自耗真空電弧熔煉制備而得，再通過感應熔煉方法熔化合金錠并澆鑄成的Φ 70 X 150mm的合金棒。3.根據權利要求1所述的一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，步驟(3)中，利用等離子旋轉電極技術把合金棒料制成球狀粉末，具體的參數:等離子槍功率200kW，等離子槍起弧電流180A，等離子槍工作電壓48V，電極棒轉速15000m/min。4.根據權利要求1所述的一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，步驟(4)中，利用放電等離子燒結爐對合金粉末進行真空燒結，燒結參數:熱壓溫度13000C，壓力50MPa，保壓時間5min。5.根據權利要求1所述的一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-16S1-24T1-2Cr_2Al。6.根據權利要求1所述的一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-18S1-24T1-2Cr_2Al。7.根據權利要求1所述的一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-20S1-24T1-2Cr-2Al。8.根據權利要求1所述的一種改善Nb-Si基多元合金室溫斷裂韌性的方法，其特征在于，所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al。9.根據權利要求1-8任一種方法所得到的粉末冶金Nb-Si基多元合金，其特征在于，多元合金錠組織均勻致密，由Nbss固溶體和Nb5Si3強化相兩相組成，相尺寸<2μπι，其中Nbss固溶體是基體，而強化相Nb5Si3以島狀均勻分布與基體上。細化的Nbss相室溫斷裂方式由傳統凝固條件下的解理型斷裂轉變成延性的韌窩型斷裂，大幅改善了 Nb-Si基多元合金的室溫斷裂韌性。
【文檔編號】C22C27/02GK105821271SQ201610212810
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】沙江波, 費騰, 張虎, 郭躍嶺
【申請人】北京航空航天大學