高温结构部件用金属合金纳米复合材料及其制备方法技术

包含分散于金属合金基体中的大量纳米颗粒的纳米复合材料和由该纳米复合材料形成的结构部件。所述金属基体包含镍基合金、铁基合金中的至少一种。该纳米复合材料含有比当前可获得的那些更高体积分数的纳米颗粒弥散质。所述结构部件包括用于热气路组合件如蒸汽轮机、燃气轮机和航空发动机中的那些。还公开了该纳米复合材料的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包含分散于金属合金基体中的大量纳米颗粒的纳米复合材料和包含该纳米复合材料的结构部件。更具体而言，本专利技术涉及该纳米复合材料的制备方法。
技术介绍
在设计和制造更大功率和更高效率的汽轮式机械如燃气轮机、蒸汽轮机和航空发动机方面的持久努力要求采用具有提高的高温操作性能的材料。这些操作性能的提高需要现有技术的材料具有大幅度提高的机械性能如强度和抗蠕变性。可以用多种方式来强化高温结构材料，例如晶粒细化、固溶体强化、沉淀强化、复合材料强化和弥散质强化。一种称作Orowan强化法的强化合金的方法将细分布的硬颗粒掺入金属合金基体中。Orowan强化法取决于弥散质颗粒阵列的形成，其起到阻抑合金基体内位错运动的阻碍的作用。这些颗粒增强合金的强度反比于这些颗粒之间的间距，这可以通过控制弥散质颗粒的尺寸来得到控制。因而，将纳米颗粒用作弥散质为显著提高合金强度提供了可能。在纳米弥散质增强合金的加工过程中引入硬质弥散质纳米颗粒提出了技术挑战。现行分散颗粒的方法包括粉末冶金法，如微米尺寸颗粒的机械合金化法，其与第二方法相结合，包括热等静压制和通过热锻制或挤压的热机械加工法。在机械合金化法中，通过在磨制过程中微米尺寸弥散质颗粒的反复破碎而生成纳米颗粒。尽管这在铁基和镍基合金(例如Inconel MA合金)中是一种完善的用于氧化物分散增强(ODS)合金的方法，但是该方法不能在合金基体内产生出均匀的颗粒分布，尤其对大部件而言。另外，通过该方法制备的合金复合材料中颗粒的填充量一般被限制在小于2体积％。现行方法不能制备具有足够高的纳米颗粒填充量的合金纳米复合材料。因此，需要的是这样的合金纳米复合材料，其中弥散质纳米颗粒均匀地分布在整个金属合金基体中。还需要具有足够高的弥散质纳米颗粒填充量的合金纳米复合材料，其具有足以用于热气路组合件(如涡轮组合件)中的高温操作性能。进一步需要的是制备具有高弥散质纳米颗粒填充量的合金纳米复合材料的方法，其中所述弥散质纳米颗粒均匀地分布在整个合金纳米复合材料中。
技术实现思路
本专利技术通过提供纳米复合材料和由该纳米复合材料形成的结构部件满足了这些以及其它需要，所述纳米复合材料包含分散于金属合金基体中的大量纳米颗粒。所述纳米复合材料含有比现有所能获得的更高体积分数的纳米颗粒弥散质。该纳米复合材料可以用来制造结构部件，如用于热气路组合件的那些，如蒸汽轮机、燃气轮机和航空发动机。本专利技术还公开了制备该纳米复合材料的方法。因此，本专利技术的一个方面提供了用于热气路组合件的结构部件，其包含纳米复合材料。所述纳米复合材料包含金属基体；分散于整个金属基体中的大量纳米颗粒，其中该大量纳米颗粒占所述纳米复合材料的约4体积％-约30体积％。本专利技术的第二个方面提供了一种纳米复合材料。所述纳米复合材料包含金属基体和分散于整个金属基体中的大量纳米颗粒。所述大量纳米颗粒占所述纳米复合材料的约4体积％-约30体积％，并通过热机械法和随后的重(severe)塑性变形而形成。本专利技术的第三个方面提供了包含纳米复合材料的结构部件。所述纳米复合材料包含金属基体，其中的金属基体包含镍基合金、铁基合金及其组合的至少一种；和分散于整个金属基体中的大量纳米颗粒。所述大量纳米颗粒占所述纳米复合材料的约4体积％-约30体积％，所述纳米复合材料通过热机械法和随后的重塑性变形而形成。本专利技术的第四个方面提供了制备纳米复合材料的方法。所述纳米复合材料包含金属基体和分散于整个金属基体中的大量纳米颗粒，其中的金属基体包含镍基合金、铁基合金及其组合的至少一种，且其中的大量纳米颗粒占所述纳米复合材料的约4体积％-约30体积％。该方法包含以下步骤提供纳米复合材料粉末，其中纳米复合材料粉末包含大量纳米颗粒和金属基体材料；固结所述纳米复合材料粉末；热机械加工纳米复合材料粉末以形成纳米复合材料散料(bulk)。从以下的专利技术详述、附图和所附的权利要求，本专利技术的这些和其它方面、优点和特点将会变得显而易见。附图说明图1是本专利技术纳米复合材料的透射电子显微(TEM)图象；图2是说明本专利技术纳米复合材料制备方法的流程图；和图3是含有5体积％氧化钇的本专利技术镍基合金纳米复合材料粉末的扫描电子显微(SEM)图象。具体实施例方式在以下的描述中，在所有附图中显示的几个视图中，相同的参照数字指的是相同的或对应的部分。还应当理解术语如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等是为方便而用的词语，不应认为是限定用术语。总体地参考附图，特别是图1，应当理解所做的说明是为了描述本专利技术的优选实施方案，而不是为了限制本专利技术。图1是本专利技术纳米复合材料100的透射电子显微(TEM)图象。纳米复合材料100包含金属基体110和分散于整个金属基体110中的大量纳米颗粒120。大量纳米颗粒120占所述纳米复合材料100的约4体积％-约30体积％。特别地，图1显示了纳米复合材料100，其中的金属基体110包含镍基合金和大量包含氧化钇(Y2O3)的纳米颗粒120。在图1所示的样品中，氧化钇纳米颗粒占纳米复合材料100的约5体积％。金属基体110包含镍基合金、铁基合金及其组合的至少一种。可以用来形成金属基体110的所述镍基合金的非限制性实例包括Ni-Cr基合金、Ni-Cr-Al基合金和它们的组合。可以用来形成金属基体110的铁基合金包括但不限于Fe-Cr基合金、Fe-Cr-Al基合金和它们的组合。所述大量纳米颗粒120包含无机氧化物、无机碳化物、无机氮化物、无机硼化物、无机氧碳化物、无机氧氮化物、无机硅化物、无机铝化物及其组合中的至少一种。可以包含所述大量纳米颗粒120的无机氧化物包括但不限于氧化钇、氧化铝、氧化锆、氧化铪及其组合。可以包含所述大量纳米颗粒120的无机碳化物包括但不限于铪、钽、钼、锆、铌、铬、钛、钨及其组合的碳化物。在一个实施方案中，大量纳米颗粒120中的每一个都基本呈球形。在本专利技术的其它实施方案中，所述大量纳米颗粒中的每一个可以呈棒状、针状、球状等形状。或者，大量纳米颗粒120可以包含具有多种这些形状的纳米颗粒的混合物。大量纳米颗粒中的每一个具有至少一个尺寸为约10nm-约500nm。在一个实施方案中，大量纳米颗粒120中的每一个的一个尺寸是约10nm-约30nm。增强合金的一种方法是称作Orowan增强法的机理，其中向合金中引入细分布的硬颗粒。在该增强机理中，所述弥散质颗粒的阵列阻碍了错位运动。这些颗粒增强合金的强度反比于弥散质颗粒之间的间距。弥散质颗粒的间距进而可以通过控制弥散质颗粒的尺寸得到控制。对于给定体积的弥散质颗粒，采用纳米范围尺寸的弥散质颗粒可以降低间距并因而显著提高合金强度。当前，与第二方法相结合的粉末冶金法如机械合金化法用来分散颗粒。在机械合金化法中，通过在研磨过程中微米尺寸弥散质颗粒的反复破碎而生成纳米颗粒。该方法不能在合金内产生出均匀的颗粒分布，尤其对大部件而言。另外，通过该方法制备的合金中颗粒的填充量一般被限制在低于2体积％。因此，本专利技术提供的纳米复合材料100克服了当前弥散质增强合金所遇到的填充量和分散性方面的限制。本专利技术提供了具有优异机械性能的纳米复合材料100，这是通过提供比当前所能获得的更高体积分数的纳米颗粒弥散质的弥散质增强法来实现的。大量纳米颗粒120占所述纳米复合材料1本文档来自技高网...

【技术保护点】
热气路组合件中的结构部件，所述结构部件包含纳米复合材料（１００），其中所述的纳米复合材料（１００）包含：ａ）金属基体（１１０）；和ｂ）分散于整个所述金属基体（１１０）中的大量纳米颗粒（１２０），其中该大量纳米颗粒（１２０）占 所述纳米复合材料（１００）的约４体积％－约３０体积％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PR苏布拉马尼安，TM安格利乌，RR科尔德曼，SC黄，JS马特，DM格雷，K阿南德，D斯里尼瓦桑，RK奥鲁甘蒂，S阿曼切尔拉，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]