一種Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金制備技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高性能飛行器的發(fā)展有賴于先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)與之匹配，現(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不僅推力 大，而且推重比不斷提高，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力和效率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度需不斷提高， 在發(fā)動(dòng)機(jī)部件中，熱端關(guān)鍵部件的工作條件最為苛刻，要在l〇〇〇°CW上高溫和腐蝕環(huán)境中 承受高的應(yīng)力，而且還要求使用壽命長，運(yùn)就要求熱端關(guān)鍵部件材料具有高的抗蠕變性能， 良好的抗腐蝕性能，高的高溫持久強(qiáng)度、斷裂初性和疲勞性能等。目前在航空航天動(dòng)力系統(tǒng) 中應(yīng)用的儀基和鉆基高溫合金材料已經(jīng)達(dá)到了其最高使用溫度極限，即工作溫度已達(dá)到或 超過其烙點(diǎn)的80%。未來的航空動(dòng)力系統(tǒng)要求其熱端關(guān)鍵部件在iioorw上的高溫和復(fù) 雜負(fù)荷條件下長期使用，因此傳統(tǒng)的儀基和鉆基高溫合金已不能滿足下一代高性能的先進(jìn) 動(dòng)力系統(tǒng)的需求。Nb-Si系合金材料與現(xiàn)階段航空航天動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵部件材料相比有許多 優(yōu)異的性能：密度低、彈性模量大、高溫強(qiáng)度高等，因此，許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展了具有更高 承溫能力的新型超高溫Nb-Si系合金材料的研究，然而，Nb-Si系合金材料較差的室溫塑初 性限制了其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種 Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料，該Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料在室溫條件下的抗拉強(qiáng)度為 460MPa~517MPa、延伸率為 1%~4. 5%、斷裂初性為 18MPa'mi/2~29MPa'mi/z，在i3〇〇°C 條件下的抗拉強(qiáng)度為267MI^a~425MPa，該Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的室溫塑初性、室溫力 學(xué)性能和高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到良好平衡。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料， 其特征在于，由W下原子百分比的原料制成：Si6%~20%，Ti16%~30%，Ta5%~ 15%，B2%~8%，余量為佩和不可避免的雜質(zhì)。 陽0化]上述的一種Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料，其特征在于，由W下原子百分比的原料制 成：Si8%~13%，Ti18%~22%，Ta8%~12%，B3%~7%，余量為佩和不可避免的 雜質(zhì)。
[0006] 上述的一種Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料，其特征在于，由W下原子百分比的原料制 成：Si10%，Ti20%，Ta10%，B5%，余量為佩和不可避免的雜質(zhì)。
[0007] 另外，本發(fā)明還提供了一種制備上述Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的方法，其特征在 于，該方法包括W下步驟：
[0008] 步驟一、將娃粉、鐵粉、粗粉、棚粉和妮粉混合均勻后壓制成電極，然后將所述電極 置于真空自耗電弧烙煉爐中，在真空度小于1X10 4Pa的條件下電弧烙煉3~6次，得到 Nb-Si-Ti-Ta-B合金鑄錠；所述電弧烙煉的烙煉電流為5kA~7kA，烙煉電壓為20V~40V;
[0009] 步驟二、將步驟一中所述Nb-Si-Ti-Ta-B合金鑄錠在擠壓溫度為1200°C~ 1600°C，擠壓比為6~12的條件下進(jìn)行擠壓，得到Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料。
[0010] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述娃粉的質(zhì)量純度不小于99. 99%，所述鐵 粉的質(zhì)量純度不小于99. 99%，所述粗粉的質(zhì)量純度不小于99. 9%，所述棚粉的質(zhì)量純度 不小于99. 9%，所述妮粉的質(zhì)量純度不小于99. 99%。
[0011] 上述的方法，其特征在于，步驟二中所述擠壓溫度為1300°C~1500°C，擠壓比為 7 ~11。
[0012] 上述的方法，其特征在于，所述擠壓溫度為1400°C，擠壓比為9。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 1、本發(fā)明Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料在室溫條件下的抗拉強(qiáng)度為460MPa~517MPa、 延伸率為1%~4. 5%、斷裂初性為18MPa?mi/z~29MPa?mi/z，在i3〇〇°C條件下的抗拉強(qiáng)度 為267MPa~425MPa，該Nb-Si-Ti-化-B合金材料的室溫塑初性、室溫力學(xué)性能和高溫抗拉 強(qiáng)度達(dá)到良好平衡。
[0015] 2、本發(fā)明采用真空自耗電弧烙煉的工藝過程制備Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料，通 過在Nb-Si系合金材料中加入Ti元素，顯著提高了Nb-Si系合金材料室溫?cái)嗔殉跣圆⒈?現(xiàn)出一定的塑性，Nb-Si系合金材料中引入B元素，提高了Nb-Si合金材料的室溫抗拉強(qiáng) 度，但沒有惡化材料的塑初性，Nb-Si系合金材料中加入化元素強(qiáng)化妮固溶體（Nbss)相 和NbsSis金屬間化合物相，明顯提高了Nb-Si系合金材料的高溫強(qiáng)度，另外，本發(fā)明采用 擠壓工藝細(xì)化微觀組織，使細(xì)小的金屬間化合物相分布在連續(xù)的妮固溶體相中，顯著提高 了Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的的室溫?cái)嗔殉跣圆⒕哂幸欢ǖ乃苄?，通過擠壓工藝和多成分 合金化使Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料室溫塑初性，室溫力學(xué)性能和高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到良好平 衡。
[0016] 3、本發(fā)明Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料具有純度高、氧質(zhì)量含量低等優(yōu)點(diǎn)，有利于改 善其室溫塑初性，且能夠應(yīng)用于1300°CW上環(huán)境中。
[0017] 下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的顯微組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例1
[0020] 本實(shí)施例Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料，其特征在于，由W下原子百分比的原料制成： Si10%，Ti20%，Ta10%，B5%，余量為佩和不可避免的雜質(zhì)。
[0021] 本實(shí)施例制備Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的方法包括W下步驟：
[0022] 步驟一、將娃粉、鐵粉、粗粉、棚粉和妮粉混合均勻后壓制成電極，然后將所述電 極置于真空自耗電弧烙煉爐中，在真空度小于1X10 4Pa的條件下電弧烙煉5次，得到 Nb-Si-Ti-Ta-B合金鑄錠；所述電弧烙煉的烙煉電流為6kA，烙煉電壓為30V，優(yōu)選地，所述 娃粉的質(zhì)量純度不小于99. 99%，所述鐵粉的質(zhì)量純度不小于99. 99%，所述粗粉的質(zhì)量純 度不小于99. 9%，所述棚粉的質(zhì)量純度不小于99. 9% ;
[0023] 步驟二、將步驟一中所述Nb-Si-Ti-Ta-B合金鑄錠在擠壓溫度為1400°C，擠壓比 為9的條件下進(jìn)行擠壓，得到Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料。
[0024] 從圖1中可W看出，本實(shí)施例制備的Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的顯微組織中具有 細(xì)小的NbsSis金屬間化合物相和妮固溶體（Nbss)相，樹枝狀組織完全被破碎和細(xì)化，細(xì)小 的金屬間化合物組織沿?cái)D壓方向被拉長，并且Nb苗is金屬間化合物相分布在連續(xù)的妮固溶 體（Nbss)相中，運(yùn)種連續(xù)的妮固溶體（Nbss)相極大地提高了材料的室溫?cái)嗔殉跣裕⑶也?料在室溫下具有一定的塑性。進(jìn)一步測試本實(shí)施例制備的Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料中妮固 溶體相（Nbss)和NbsSis金屬間化合物相的化學(xué)組成，結(jié)果見表1。
[0025] 表1實(shí)施例1制備的Nb-Si-化-W合金材料的化學(xué)組成
[0026]
[0027] 如表1所示，Ti、化和B元素主要固溶在佩中，與佩形成固溶體，提高了 Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的室溫和高溫強(qiáng)度。
[0028] 本實(shí)施例制備的Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料在室溫條件下的抗拉強(qiáng)度為517MPa、 延伸率為4. 5 %、斷裂初性為29MPa?ml/2,在1300°C條件下的抗拉強(qiáng)度為425MPa，該 Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的室溫塑初性、室溫力學(xué)性能和高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到良好平衡。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] 本實(shí)施例Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料，其特征在于，由W下原子百分比的原料制成： Si6%，Ti16%，Ta5%，B2%，余量為佩和不可避免的雜質(zhì)。
[0031] 本實(shí)施例制備Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的方法包括W下步驟：
[0032] 步驟一、將娃粉、鐵粉、粗粉、棚粉和妮粉混合均勻后壓制成電極，然后將所述電 極置于真空自耗電弧烙煉爐中，在真空度小于1X10 4Pa的條件下電弧烙煉3次，得到 Nb-Si-Ti-Ta-B合金鑄錠；所述電弧烙煉的烙煉電流為5kA，烙煉電壓為20V，優(yōu)選地，所述 娃粉的質(zhì)量純度不小于99. 99%，所述鐵粉的質(zhì)量純度不小于99. 99%，所述粗粉的質(zhì)量純 度不小于99. 9%，所述棚粉的質(zhì)量純度不小于99. 9% ;
[0033] 步驟二、將步驟一中所述Nb-Si-Ti-Ta-B合金鑄錠在擠壓溫度為1200°C，擠壓比 為6的條件下進(jìn)行擠壓，得到Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料。
[0034] 本實(shí)施例制備的Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的顯微組織中含有細(xì)小的金屬間化合 物NbsSis相和連續(xù)的妮固溶體（Nbss)相，該Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料在室溫條件下的抗 拉強(qiáng)度為460MPa、延伸率為4. 5%、斷裂初性為18MPa'ml/2,在1300°C條件下的抗拉強(qiáng)度為 267MPa，該Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的室溫塑初性、室溫力學(xué)性能和高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到良 好平衡。 陽0對 實(shí)施例3
[0036] 本實(shí)施例Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料，其特征在于，由W下原子百分比的原料制成： Si20%，Ti30%，Ta15%，B8%，余量為佩和不可避免的雜質(zhì)。
[0037] 本實(shí)施例制備Nb-Si-Ti-Ta-B合金材料的方法包括W下步驟：
[0038] 步驟一、將娃粉、鐵粉、粗粉、棚粉和妮粉混合均勻后壓制成電極，然后將所述電 極置于真空自耗電弧烙煉爐中，在真空度小于1X10 4Pa的條件下電弧烙煉6次，得到 Nb-Si-Ti-Ta-B合金鑄錠；所述電弧烙煉的烙煉電流為7kA，烙煉電壓為40V，優(yōu)選地，所述 娃粉的質(zhì)量純度不小于99.