一种无污染共晶Nb-Si定向凝固合金的制备方法技术

一种无污染共晶Nb

【技术实现步骤摘要】
一种无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种定向凝固合金的制备方法，具体涉及一种无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金的制备方法，属于高熔点活性合金材料熔炼制备


技术介绍

[0002]提升航空发动机的效率可以减少氮氧化物及非挥发性颗粒物的排放，早日实现“绿色航空”目标。Nb
‑
Si合金由于更高的服役温度和密度，成为下一代航空发动机叶片的候选材料之一。然而其室温断裂韧性低，难以满足加工装备的要求阻碍了发展。定向凝固可以实现铸锭沿特定方向生长，从而大幅提升其轴向力学性能，因此，定向凝固技术在航空涡轮发动机叶片制备中广泛应用。
[0003]Nb
‑
Si合金由室温增韧的Nbss相和高温增强的硅化物相组成，这种原位自生复合材料的熔点超过1950℃，目前定向凝固制备过程中广泛应用的氧化铝和氧化钇陶瓷管均与Nb
‑
Si基合金发生反应，进而污染熔体，最终恶化室温断裂韧性。因此有必要制备一种无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金，为今后航空发动机涡轮叶片领域提供更高性能的材料，促进Nb
‑
Si合金的实际应用和发展。
[0004]综上所述，现有定向凝固制备过程中由于氧化铝和氧化钇陶瓷管均与Nb
‑
Si基合金发生反应，导致存在污染熔体，最终恶化室温断裂韧性的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有定向凝固制备过程中由于氧化铝和氧化钇陶瓷管均与Nb
‑
Si基合金发生反应，导致存在污染熔体，最终恶化室温断裂韧性的问题。进而提供一种无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金的制备方法。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金的制备方法包括以下制备步骤：
[0007]步骤一：称取合金原材料；
[0008]按照原子百分比16％Si、20％Ti、2％ZrC和62％Nb的比例称取单质Si、Ti、ZrC和Nb，原子百分比总和为100％；
[0009]步骤二：熔炼铸锭；
[0010]将称取的原材料Nb、Si、Ti、ZrC按照颗粒大小的顺序自上而下依次放入非自耗水冷铜坩埚内，将熔炼室内预抽真空至5Pa
‑
10Pa，通入氩气20
‑
30秒，重复3
‑
6次，将熔炼室内抽真空至4
×
10
‑3Pa
‑5×
10
‑3Pa，冲入保护性氩气至300Pa
‑
500Pa，然后熔炼，得到铸锭；
[0011]步骤三：将步骤二中熔铸的铸锭采用线切割切成金属棒，清洗打磨，得到没有加工痕迹的金属棒；
[0012]步骤四：制备纯Nb铸锭；
[0013]将称取的单质原材料Nb放入水冷铜坩埚内，将熔炼室内预抽真空至5Pa
‑
10Pa，通入氩气20
‑
30秒，重复3
‑
5次，将熔炼室内抽真空至4
×
10
‑3Pa
‑5×
10
‑3Pa，冲入保护性氩气至
300
‑
500Pa，熔炼十分钟，倒入石墨模具浇铸获得纯Nb铸锭；
[0014]步骤五：制备纯Nb管；
[0015]采用电火花线切割将纯Nb铸锭切割成中空的管，清洗打磨，得到没有线切割痕迹的纯Nb管；
[0016]步骤六：定向凝固Nb
‑
Si合金的制备；
[0017]将步骤三中的金属棒置于步骤五中的纯Nb管中，而后放置在真空定向凝固炉中，抽真空至5
×
10
‑3Pa，通入保护性氩气至200Pa，然后加热，将温度升至2200℃后保温15
‑
20min，开始以1μm/s
‑
20μm/s的抽拉速率进行实验，制备的定向凝固Nb
‑
Si合金铸锭在Ga
‑
In冷却液中冷却，进而得到共晶Nb
‑
Si定向凝固合金。
[0018]进一步地，步骤六中制备的定向凝固Nb
‑
Si合金的表达式为Nb
‑
16Si
‑
20Ti
‑
2ZrC。
[0019]优选地，步骤二中该合金熔炼6次。
[0020]优选地，步骤三中的金属棒首先采用砂纸打磨去除线切割痕迹，随后采用酒精清洗。
[0021]优选地，步骤四中纯Nb铸锭的制备熔炼3次。
[0022]优选地，步骤六中抽拉速率为1μm/s。
[0023]优选地，步骤六中抽拉速率为4μm/s。
[0024]优选地，骤六中抽拉速率为20μm/s。
[0025]本专利技术与现有技术相比具有以下效果：
[0026]本专利技术采用合理的合金元素，制备了无初生相的共晶Nb
‑
Si基合金，提供了一种新的无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金的制备方法，通过纯Nb铸锭制备的空心管消除了定向凝固过程中熔体的污染问题，提高了定向凝固Nb
‑
Si基合金铸锭的纯度，有效的改善了室温断裂韧性。可制备大尺寸叶片及其它结构件。
附图说明
[0027]图1是本专利技术实施例1中的抽拉速率为1μm/s的Nb
‑
16Si
‑
20Ti
‑
2ZrC定向凝固Nb
‑
Si合金显微组织图；
[0028]图2是本专利技术实施例2中的抽拉速率为20μm/s的Nb
‑
16Si
‑
20Ti
‑
2ZrC定向凝固Nb
‑
Si合金显微组织图；
[0029]图3是本专利技术实施例1和实施例2中定向凝固Nb
‑
Si合金的XRD对比示意图；
[0030]图4是本专利技术实施例1和实施例2中定向凝固Nb
‑
Si合金的室温断裂韧性数值对比示意图。
具体实施方式
[0031]具体实施方式一：本实施方式的一种无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金的制备方法包括以下制备步骤：
[0032]步骤一：称取合金原材料；
[0033]按照原子百分比16％Si、20％Ti、2％ZrC和62％Nb的比例称取单质Si、Ti、ZrC和Nb，原子百分比总和为100％；
[0034]步骤二：熔炼铸锭；
[0035]将称取的原材料Nb、Si、Ti、ZrC按照颗粒大小的顺序自上而下依次放入非自耗水冷铜坩埚内，将熔炼室内预抽真空至5Pa
‑
10Pa，通入氩气20
‑
30秒，重复3
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无污染共晶Nb
‑
Si定向凝固合金的制备方法，其特征在于：它包括以下制备步骤：步骤一：称取合金原材料；按照原子百分比16％Si、20％Ti、2％ZrC和62％Nb的比例称取单质Si、Ti、ZrC和Nb，原子百分比总和为100％；步骤二：熔炼铸锭；将称取的原材料Nb、Si、Ti、ZrC按照颗粒大小的顺序自上而下依次放入非自耗水冷铜坩埚内，将熔炼室内预抽真空至5Pa
‑
10Pa，通入氩气20
‑
30秒，重复3
‑
6次，将熔炼室内抽真空至4
×
10
‑3Pa
‑5×
10
‑3Pa，冲入保护性氩气至300Pa
‑
500Pa，然后熔炼，得到铸锭；步骤三：将步骤二中熔铸的铸锭采用线切割切成金属棒，清洗打磨，得到没有加工痕迹的金属棒；步骤四：制备纯Nb铸锭；将称取的单质原材料Nb放入水冷铜坩埚内，将熔炼室内预抽真空至5Pa
‑
10Pa，通入氩气20
‑
30秒，重复3
‑
5次，将熔炼室内抽真空至4
×
10
‑3Pa
‑5×
10
‑3Pa，冲入保护性氩气至300
‑
500Pa，熔炼十分钟，倒入石墨模具浇铸获得纯Nb铸锭；步骤五：制备纯Nb管；采用电火花线切割将纯Nb铸锭切割成中空的管，清洗打磨，得到没有线切割痕迹的纯Nb管；步骤六：定向凝固Nb
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Si合金的制备；将步骤三中的金属棒置于步骤五中的纯Nb管中，而后放置在真空定向凝固炉中，抽真空至5
×
10

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德志，陈瑞润，王墅，王琪，王亮，苏彦庆，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：