一种镍锆合金薄带材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种镍锆合金薄带材料及制备方法，显微组织为等轴晶包晶相，合金成分为22～24wt.％的Zr，76～78wt.％的Ni。通过配料、熔炼、安装、抽真空、加热和薄带成型步骤制备而成。控制铜辊面的线速度10～25m/s，加热使熔体过热度至50～300K，凝固过程的冷却速率为1.0×103～1.0×107K/s，凝固速度为20～50m/s。镍锆合金薄带材料原料仅含有Ni和Zr两种元素，元素配比简单，价格低廉易得；工艺简单，耗时较少，过程容易；抑制镍锆包晶合金初生相的形成，得到细化的包晶相合金薄带，其厚度为30～150μm，所得镍锆合金薄带材料的维氏硬度为670～715HV。

Nickel zirconium alloy thin strip material and preparation method thereof

The invention relates to a nickel-zirconium alloy thin strip material and a preparation method thereof. The microstructure of the alloy is equiaxed peritectic phase. The alloy composition is 22-24 wt.% Zr and 76-78 wt.% Ni. It is prepared by mixing, melting, installing, vacuuming, heating and molding process. Controlling the linear velocity of copper roll surface by 10-25m/s, heating makes the melt superheat to 50-300K, cooling rate of solidification process is 1.0 103-1.0 107K/s, solidification rate is 20-50m/s. The raw materials of nickel-zirconium alloy strip materials contain only two elements, Ni and Zr, the ratio of elements is simple, the price is low and easy to obtain; the process is simple, less time-consuming, easy to process; inhibit the formation of primary phase of nickel-zirconium peritectic alloy, get fine peritectic alloy strip, its thickness is 30-150 micron, the obtained nickel-zirconium alloy strip materials Vickers. The hardness is 670 ~ 715HV.

【技术实现步骤摘要】
一种镍锆合金薄带材料及制备方法
本专利技术镍基高温合金材料领域，涉及一种镍锆合金薄带材料及制备方法。
技术介绍
高温合金由于在900K以上的氧化气氛仍能承受较大的应力而广泛应用于航天、航空核反应堆、石油化工等领域。一般可将高温合金按基体分为铁基、钴基和镍基三类。镍基高温合金是这三种中发展最快，使用最广的，高温强度最高一种高温合金。与铁基高温合金相比，镍基高温合金具有良好的导热性、较高的组织稳定性；与钴基高温合金相比，镍基高温合金，具有比重轻、价格低、强度高和抗氧化性好等优点。许多重要的镍基高温合金都是包晶合金，包晶合金凝固过程中，包晶反应的发生需要初生相和液相的相互接触。然而，包晶反应过程中，初生相和液相反应生成的包晶相将附着于初生相表面，并随着包晶反应的进行，包晶相逐渐完全包裹初生相。此时，包晶相完全阻碍了初生相与液相的接触，包晶反应发生条件不能满足，难以继续进行。因此，合金熔体凝固至室温时，包晶合金残留了大量的初生相在最终的凝固组织中，这严重影响了包晶合金的性能，制约了包晶合金的应用。镍锆包晶合金是一种典型的镍基高温合金，但由于硬度和强度极差的初生相残留在最终凝固组织中，导致了镍锆包晶合金的各项应用性能指标严重下降。目前已有的技术很难使镍基高温合金整体都达到高硬度或强度水平，普通的镍铌高温合金硬度只有250～300HV。经过钪，锆增强的镍铌合金力学性能有了一定的改善(专利号为CN103695715B)，钪的加入有益于烧结，能够细化组织，锆的加入提升了高温稳定性。同时加入镧和钕抑制镍晶粒的长大，进一步细化组织，提高力学性能。但效果有限，镍铌合金的硬度也仅为450～550HV。而且由于多种元素的加入，很难实现制备过程的精确调控，成本较高。镍基高温合金INCONEL740由于热处理过程中涉及固态相变较多，生成组织复杂，稳定性差。同时，对保温温度参数十分敏感，很难使合金性能达到最优化。并且保温时间超过1000小时，需要消耗大量的时间，见文献：ZhaoS,XieX,SmithGD,etal.Microstructuralstabilityandmechanicalpropertiesofanewnickel-basedsuperalloy[J].MaterialsScience&EngineeringA,2003,355(1):96-105.。多晶镍基高温合金René88DT由于晶粒尺寸变化范围大，1μm到100μm不等，导致材料各个区域的力学性能差别较大，很难保证材料整体区域性能的稳定性见文献：MiaoJ,PollockTM,JonesJW.Crystallographicfatiguecrackinitiationinnickel-basedsuperalloyRené88DTatelevatedtemperature[J].ActaMaterialia,2009,57(20):5964-74.。GH4169镍基高温合金经过时效工艺改善后硬度最高为592HV，但是为了充分改善力学性能，需要100小时以上的保温时间以及40％的变形引进大量位错进行增强，工艺复杂，实施困难，见文献：张凌峰,熊毅,王延枝.变形对镍基高温合金GH4169长期时效过程的影响[J].热加工工艺,2011,40(22):143-5.。超塑性Ni-8Zr共晶纳米晶合金具有高强度的特性，抗拉强度可达2633MPa，但其制备困难，需要生成大量的初生相纳米晶来提高强度，见文献：ParkJM,KimTE,SohnSW,etal.HighstrengthNi–Zrbinaryultrafineeutectic-dendritecompositewithlargeplasticdeformability[J].AppliedPhysicsLetters,2008,93(3):031913；况且，许多使用环境下，镍基高温合金零部件只需在表面部分保持较高的力学性能就能满足使用要求。凝固是一种十分普遍的物理现象，广泛存在于生产生活中。水结冰，航空发动机涡轮叶片铸造等都涉及到凝固过程。凝固也是金属材料生产过程中材料质量调控中最重要的环节之一，在金属材料制备过程中，首先需要将熔体凝固成铸坯，并进行后续的变形加工。由于凝固过程中形成的组织和缺陷很难在后续加工变形中改变，铸坯的凝固质量影响着后续的加工工艺，从而对最终产品的性能有重要影响。因此从材料制造的源头上控制凝固过程，提高凝固产品质量具有十分重要的意义。快速凝固由于冷却速率快，凝固时间短能够有效消除凝固产品中的缺陷，成分偏析，形成优异性能的亚稳相甚至非晶相，这对满足实际生产中的需要起到了重大作用。然而，金属材料快速凝固过程中对工艺参数十分敏感，对材料制备过程中参数的控制提出了严格的要求。因此提供一种薄带镍基高温合金及其制备方法是本专利技术亟需解决的问题。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种镍锆合金薄带材料及制备方法，所得镍锆合金薄带材料显微组织由高力学性能的单相Ni5Zr等轴晶组成。本专利技术一种镍锆合金薄带材料的技术思路为：主动调控镍锆包晶合金的凝固过程，改变凝固路径，抑制性能较差的初生相Ni7Zr2和枝晶间共晶相的析出，使包晶相Ni5Zr直接从急冷熔体中析出，生成只含有高性能包晶相Ni5Zr等轴晶凝固组织。技术方案一种镍锆合金薄带材料，其特征在于：组份为22～24wt.％的Zr和76～78wt.％的Ni，薄带的厚度为30～150μm，宽度为2000～80000μm，薄带材料的维氏硬度为670～715HV。一种权利要求1所述镍锆合金薄带材料的制备方法，其特征在于采用快速凝固制备方法，步骤如下：步骤1：按照22～24wt.％的Zr和76～78wt.％的Ni进行配料，然后采用真空电弧炉在高纯Ar气或者He气气体保护下熔炼配料，电流70～120A，时间1～10分钟；步骤2：将熔炼完成的材料放入底部开有圆形或扁形喷嘴的石英试管中，感应线圈位于铜辊轮的正上方，外接高频感应加热电源；将石英试管安装在单辊设备的铜辊轮正上方，石英管口与高压喷气接口相连接，石英试管中的材料位于感应线圈中，同时保持石英试管底部距离铜辊轮面约1～2mm间距；步骤3：将单辊急冷装置抽真空至1.0×10-2～1.0×10-5Pa，再反充高纯Ar气或者He气或者二者混合气体作为保护气体至1.0×104～1.0×105Pa；步骤4：通过高频感应加热电源给感应线圈施加电流，通过感应加热的方式加热材料至液相线温度以上50～300K，保温10～30s；用高频感应熔炼装置加热至液相线温度以上50～300K，保温10～30s；步骤5、薄带成型：通过高压喷气接口向试管内充入高压纯Ar气或He气，使合金熔体从石英试管底部的喷嘴流向高速旋转的铜辊表面，铜辊面的线速度为10～25m/s，熔体受辊面剪切力作用形成液膜从而实现凝固，冷却30s后即得到镍锆合金薄带材料。所述镍锆合金薄带制备步骤中，凝固过程的冷却速率为1.0×103～1.0×107K/s，凝固速度为20～50m/s。有益效果本专利技术提出的一种镍锆合金薄带材料及制备方法，显微组织为等轴晶包晶相，合金成分为22～24wt.％的Zr，76～78wt.％的Ni。采用快速凝固制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍锆合金薄带材料，其特征在于：组份为22～24wt.％的Zr和76～78wt.％的Ni，薄带的厚度为30～150μm，宽度为2000～80000μm，薄带材料的维氏硬度为670～715HV。

【技术特征摘要】
1.一种镍锆合金薄带材料，其特征在于：组份为22～24wt.％的Zr和76～78wt.％的Ni，薄带的厚度为30～150μm，宽度为2000～80000μm，薄带材料的维氏硬度为670～715HV。2.一种权利要求1所述镍锆合金薄带材料的制备方法，其特征在于采用快速凝固制备方法，步骤如下：步骤1：按照22～24wt.％的Zr和76～78wt.％的Ni进行配料，然后采用真空电弧炉在高纯Ar气或者He气气体保护下熔炼配料，电流70～120A，时间1～10分钟；步骤2：将熔炼完成的材料放入底部开有圆形或扁形喷嘴的石英试管中，感应线圈位于铜辊轮的正上方，外接高频感应加热电源；将石英试管安装在单辊设备的铜辊轮正上方，石英管口与高压喷气接口相连接，石英试管中的材料位于感应线圈中，同时保持石英试管底部距离铜辊轮面约1～2mm间距；步骤3：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海鹏，思永飞，魏炳波，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61