一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金及其制备方法。包括A组分和B组分，其中A组分包括总体积分数为12~42%微米尺度TiN和纳米尺度CrN，B组分以质量百分比计，包括Ti：9.5~34.5%，Cr：5.5~9.5%，其余为Co、Fe、Ni中的一种或多种。制备方法为：称取B组分的原料经过高能球磨均匀混合金属粉末，然后球磨后的粉末再冷压成生坯，生坯在含氮反应气氛下烧结致密成型原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金，本方法实现了原位生成微纳米双尺度陶瓷相的大小和含量的可设计和可调控，对推动高性能镍基高温合金的发展有重要意义。高温合金的发展有重要意义。高温合金的发展有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属基复合材料
，具体涉及一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]高温合金是指以铁、镍、钴为基体，能够在600℃以上的高温、高应力环境下服役的一类金属材料。高温合金具有较好的高温强度、高温蠕变和抗氧化等性能，广泛应用在航空航天、燃气轮机、核电等极端环境下的耐热部件。但随着科技进步和技术发展，对高温合金的性能提出了越来越高的要求，传统的高温合金主要利用合金异质元素产生强化作用，但高温下位错很容易出现滑移和攀移等现象，以及高温强度随着温度的提高而逐渐降低，因此高温合金无法打破本身化学键决定的强度。而陶瓷具有更好的高温强度、高温蠕变和高温稳定性等优异的性能，因此通过陶瓷颗粒和高温合金复合成高温合金基复合材料则可以进一步提高高温合金的高温力学性能，突破了单一金属和陶瓷材料的局限性。
[0003]目前陶瓷颗粒增强高温合金引入陶瓷颗粒的方式主要有外加法和原位自生法，其中外加法主要是提前合成的陶瓷颗粒在复合材料成型过程中加入复合材料中，但目前外加陶瓷颗粒主要存在着陶瓷颗粒容易出现团聚、陶瓷颗粒和金属物化相容性差、界面反应复杂等问题。而原位自生的陶瓷颗粒则存在着以下优点：1.原位自生的陶瓷颗粒可以避免外加颗粒带来的物化相容性差的问题；2.其陶瓷/金属界面干净，界面结合好，具有更好的高温稳定性；3.原位自生的陶瓷颗粒可以避免颗粒发生团聚等现象，因此研究和发展原位自生陶瓷颗粒增强高温合金具有重要的意义。
[0004]众所周知，陶瓷颗粒尺寸对复合材料增强效果有着非常显著的影响，对特定的复合材料而言，通常微米尺度增强相可以显著提高基体的强度和模量，但强度和塑性却很难同时兼得，并且对基体的高温性能提高并不显著。与微米尺度的增强相相比，纳米尺度颗粒增强的复合材料具有更高的强度、更高的硬度、出色的延展性和断裂韧性，同时纳米尺度的颗粒增强相对复合材料的高温性能提高也非常明显。然而，纳米颗粒可能导致界面结合不良和分散不均匀等缺点，严重阻碍了其增强效果，影响了复合材料的性能。为了同时解决单一微米尺度和单一纳米尺度增强相的缺陷，研究人员将微米尺度和纳米尺度的增强相同时加入到基体中，可以同时发挥两者各自的优势，产生协同强化作用，使得复合材料的综合性能进一步提高。但目前原位自生陶瓷颗粒增强的高温合金陶瓷颗粒都只存在单一微米或者纳米尺度，如中国专利CN107699764B公开了一种原位自生纳米金刚石增强镍基复合材料；如中国专利CN115029587B公开了一种原位自生纳米Y2O3增强镍基复合材料；如中国专利CN101649398B公开了一种原位自生微米尺度TiC
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增强镍基复合材料，中国专利CN106319288B公开了一种直接引入和原位生成的TiC增强镍基复合材料，尽管直接引入的TiC颗粒(5~10μm)和原位生成的TiC颗粒(≤2μm)存在着尺度上的差距，但依然存在外加法引入陶瓷颗粒。目前无法原位形成微米尺度和纳米尺度的陶瓷增强相的原因有两点，第一
是原位合成陶瓷增强相的化学元素单一，只能生成一种陶瓷增强相，第二点是即便含有两种或两种以上的原位自生陶瓷增强相，但原位生长的陶瓷增强相生长动力学和热力学速率比较接近，无法从生长动力学和热力学速率方面突破尺寸大小的局限性，因此现有的原位自生陶瓷颗粒增强高温合金都只存在单一尺度，无法实现微纳米双尺度原位自生陶瓷颗粒增强高温合金的制备。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金及其制备方法，解决现有技术只能实现单一微米或纳米尺度陶瓷颗粒原位自生的问题。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金，所述的包括A组分和B组分，其中A组分包括体积分数为12~42%的氮化物，所述的B组分以质量百分比计，包括Ti：9.5~34.5%，Cr：5.5~9.5%，其余为 Co、Fe、Ni 中的一种或多种；所述的一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金中A组分氮化物由TiN和CrN组成，具体的TiN和CrN为Ti和Cr元素与含氮气反应气氛在烧结过程中原位自生而成；所述的一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金，其所述TiN颗粒平均尺寸在1.2~4.5 μm，体积分数在7.8~33%；所述的CrN颗粒平均尺寸在8.5~86 nm，体积分数在4.2~9%。
[0007]进一步的，本专利技术还提供了一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金的制备方法，包括以下步骤：S1.原料配比：在高纯氩气保护气氛下，按照上述所述B组分配置金属粉末；S2.球磨制粉：将配置好的B组分通过高能球磨机混合均匀；S3.坯体成型：将S2球磨之后的混合均匀原料压制成型，得到成型的生坯；S4.烧结致密：将成型的生坯在含氮反应气氛下进行致密化烧结，得到原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金。
[0008]作为优选的技术方案：进一步，所述步骤S1中的所述B组分的原始粉末平均粒径为50~100 μm。
[0009]进一步，所述步骤S2中高能球磨过程中球磨机的转速为200～300转/分钟，球磨时间为12～30 h。
[0010]进一步，所述步骤S2中高能球磨过程中的球磨珠为直径0.3～1.0 cm碳化钨球磨珠。
[0011]进一步，所述步骤S2中高能球磨过程中碳化钨球磨珠与B组分粉末质量球料比为（5~10）：1。
[0012]进一步，所述步骤S2中高能球磨后的B组分金属粉末平均晶粒大小为30~90 nm。
[0013]进一步，所述步骤S3中压制成型采用室温冷压成型，冷压预制压力为20MPa，加压时间为 30s。
[0014]进一步，所述步骤S4中烧结参数为：烧结温度1250~1450 ℃；保温时间为5~15h，烧结含氮反应气氛为99.99% 氩气和99.99%氢气混合气体，其中氢气的体积分数为15%。烧结压力为5~10 MPa。
[0015]本专利技术至少有以下有益效果:
1.本专利技术设计的B原料配比中，从氮化物形成的热力学和动力学角度出发选取的Ti和Cr元素，首选从热力学角度考虑，当温度高于1250℃时，TiN和CrN反应的吉布斯自由能都为负数，有利于形成原位自生的氮化物。从动力学角度考虑，根据阿伦尼乌斯方程可知，TiN生长的速率远远高于CrN，因此，基于生长动力学生长速率的差异，有利于调控两者之间的尺度差异，生长出微米尺度的TiN和纳米尺度的CrN。
[0016]2.本专利技术中的TiN和CrN为热压烧结过程中和含氮反应气氛原位生成，避免了外加陶瓷颗粒因为不润湿导致的团聚和有害界面反应，原位合成的氮化物和高温合金基体有良好的物理化学相容性，因此高温下界面更加稳定，有利于提高高温合金的高温力学性能。
[0017]3.本专利技术的原位增强相的陶瓷颗粒通过合金元素的调控和优化，实现原位自生陶瓷颗粒性质、大小和含量的调控和优化，从而实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金，其特征在于，包括A组分和B组分，其中A组分包括总体积分数为12~42%的微米TiN和纳米CrN，TiN和CrN为Ti和Cr元素与含氮气的反应气氛在烧结过程中原位自生而成，TiN颗粒平均尺寸在1.2~4.5 μm，体积分数在7.8~33%；CrN颗粒平均尺寸在8.5~86 nm，体积分数在4.2~9%；所述的B组分以质量百分比计，包括Ti：9.5~34.5%，Cr：5.5~9.5%，其余为 Co、Fe、Ni 中的一种或多种。2.一种如权利要求1所述的原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.原料配比：在高纯氩气保护气氛下，按照上述所述B组分配置金属粉末；S2.球磨制粉：将配置好的B组分通过高能球磨机混合均匀；S3.坯体成型：将步骤S2球磨之后的混合均匀原料压制成型，得到成型的生坯；S4.烧结致密：将成型的生坯在含氮反应气氛下进行致密化烧结，得到原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金。3.如权利要求2所述一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中的所述B组分的原始粉末平均粒径为50~100 μm。4.如权利要求2所述一种原位自生微纳米双尺度氮化物增强高温合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中高能球磨过程中球磨机的转速为200～300转/分...

【专利技术属性】
技术研发人员：于连旭，王晓蓉，文超，张彭威，孙岳来，
申请(专利权)人：南京国重新金属材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：