一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb-Si高温重熔合金及其制备方法技术

一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb

【技术实现步骤摘要】
一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种Nb
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Si高温重熔合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科技与社会的进步与发展，高性能的航空发动机需求与日俱增。发动机叶片及其它热端部件的承温能力决定了发动机的推重比。目前广泛应用的叶片材料
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Ni基单晶，受限于熔点难以大幅满足下一代发动机高推重比的要求，基于此，研制一种熔点更高、高温性能更加优异的材料来满足发动机叶片材料的承温能力具有深刻的意义。
[0003]Nb
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Si合金通常由室温增韧的Nbss相和高温增强的硅化物相组成，熔点高达1900℃，密度仅为7g/cm3～7.2g/cm3，是替代Ni基单晶的潜在高温材料。但是现有的Nb
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Si基合金制备技术包含电弧熔炼、定向凝固等，获得的显微组织粗大，尤其是大尺寸的硅化物相显著恶化了室温韧性和高温强度，成为阻碍Nb
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Si基合金走向应用的重要“壁垒”。由此，寻找合适的加工制备工艺，制备纳米级共晶Nb
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Si高温合金是重中之重。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决铌硅合金铸锭组织粗大，导致室温韧性和高温强度低的问题，进而提供一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金及其制备方法。
[0005]一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金，按照原子百分比，它的化学通式为Nb
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16Si
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20Ti
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1ZrC
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xSc，其中，x为0.02～0.5。
[0006]一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金的制备方法，它是按以下步骤进行：
[0007]一、按照原子百分比为16％Si、20％Ti、1％ZrC、x％Sc和63
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x％Nb的比例称取单质Si、单质Ti、ZrC、单质Sc和单质Nb，得到称取的原料；所述的x为0.02～0.5；
[0008]二、按颗粒尺寸由小到大，将称取的原料自下而上依次放置于熔炼室内，在氩气气氛下熔炼，得到铸锭；
[0009]三、将铸锭切割成板材，打磨去除线切割痕迹，最后清洗，得到金属板；
[0010]四、将金属板材固定于电子束沉积室平台上，抽真空，然后通入保护性氩气，利用电流为10mA～15mA的束流预热金属板，然后利用电流为24mA～26mA的束流，在移动速度为100mm/min～400mm/min的条件下，对预热后的金属板进行重熔，最后随炉冷却，得到兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金。
[0011]本专利技术的有益效果是：
[0012]一、本专利技术采用ZrC和Sc两种材料是因为ZrC可以促进Nb
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Si基合金中大尺寸的Nb3Si相分解为共晶Nbss/Nb5Si3组织，Sc的添加在制备过程中富集在固液界面前沿形成成分过冷，进一步细化共晶Nbss/Nb5Si3组织，因此提升Nb
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Si基合金的室温韧性和强度；
[0013]二、采用电子束重熔的方式制备Nb
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Si基合金，由于深过冷能够得到纳米共晶
Nbss/Nb5Si3组织的Nb
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Si高温合金，细小尺寸的共晶组织由于更多的相界面，可均匀的分布断裂过程中产生的应力集中，从而进一步提升Nb
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Si基合金的室温韧性和强度；
[0014]三、本专利技术利用电子束重熔技术中的束流强度和扫描速率控制Nb
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Si基高温合金凝固时的温度梯度及过冷度，进而控制凝固组织的晶体形貌和生长方向，获得具有两相复合生长的树枝晶形貌组织。本专利技术设计的Nb
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16Si
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20Ti
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1ZrC
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xSc合金(x为0.02～0.5)具有高强度和室温韧性：室温断裂韧性高达22MPa
·
m
1/2
～40MPa
·
m
1/2
，室温压缩强度达到2200MPa～2800MPa，高温压缩强度为391MPa～456MPa，合金的室温韧性和强度性能优异，是一种潜力巨大的Nb
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Si基高温合金。
[0015]本专利技术用于一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金及其制备方法。
附图说明
[0016]图1为实施例一制备的Nb
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16Si
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20Ti
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1ZrC
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0.02Sc重熔合金的显微组织图；
[0017]图2为实施例二制备的Nb
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16Si
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20Ti
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1ZrC
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0.05Sc重熔合金的显微组织图；
[0018]图3为实施例三制备的Nb
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16Si
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20Ti
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1ZrC
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0.5Sc重熔合金的显微组织图；
[0019]图4为实施例一至三制备的重熔Nb
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Si合金的室温断裂韧性图；
[0020]图5为实施例一至三制备的重熔Nb
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Si合金的室温压缩强度图；
[0021]图6为实施例一至三制备的重熔Nb
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Si合金的高温(1200℃)压缩强度图。
具体实施方式
[0022]具体实施方式一：本实施方式一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金，按照原子百分比，它的化学通式为Nb
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16Si
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20Ti
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1ZrC
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xSc，其中，x为0.02～0.5。
[0023]本实施方式的有益效果是：
[0024]一、本实施方式采用ZrC和Sc两种材料是因为ZrC可以促进Nb
‑
Si基合金中大尺寸的Nb3Si相分解为共晶Nbss/Nb5Si3组织，Sc的添加在制备过程中富集在固液界面前沿形成成分过冷，进一步细化共晶Nbss/Nb5Si3组织，因此提升Nb
‑
Si基合金的室温韧性和强度；
[0025]二、采用电子束重熔的方式制备Nb
‑
Si基合金，由于深过冷能够得到纳米共晶Nbss/Nb5Si3组织的Nb
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Si高温合金，细小尺寸的共晶组织由于更多的相界面，可均匀的分布断裂过程中产生的应力集中，从而进一步提升Nb
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Si基合金的室温韧性和强度；
[0026]三、本实施方式利用电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金，其特征在于按照原子百分比，它的化学通式为Nb
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16Si
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20Ti
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1ZrC
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xSc，其中，x为0.02～0.5。2.如权利要求1所述的一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行：一、按照原子百分比为16％Si、20％Ti、1％ZrC、x％Sc和63
‑
x％Nb的比例称取单质Si、单质Ti、ZrC、单质Sc和单质Nb，得到称取的原料；所述的x为0.02～0.5；二、按颗粒尺寸由小到大，将称取的原料自下而上依次放置于熔炼室内，在氩气气氛下熔炼，得到铸锭；三、将铸锭切割成板材，打磨去除线切割痕迹，最后清洗，得到金属板；四、将金属板材固定于电子束沉积室平台上，抽真空，然后通入保护性氩气，利用电流为10mA～15mA的束流预热金属板，然后利用电流为24mA～26mA的束流，在移动速度为100mm/min～400mm/min的条件下，对预热后的金属板进行重熔，最后随炉冷却，得到兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金。3.根据权利要求2所述的一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶Nb
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Si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤二中所述的氩气气氛具体是按以下步骤进行通入：先将熔炼室抽真空至10Pa～20Pa，然后通入保护性氩气10s～20s，重复抽真空及通氩气三次，再抽真空至3
×
10
‑3Pa～4
×
10
‑3Pa，最后通入保护性氩气至400Pa～500a...

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