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

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
技术领域
1.本发明涉及一种nb-si高温重熔合金及其制备方法。


背景技术：

2.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-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。
3.nb-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-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-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-si高温合金是重中之重。


技术实现要素：

4.本发明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-si高温重熔合金及其制备方法。
5.一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金，按照原子百分比，它的化学通式为nb-16si-20ti-1zrc-xsc，其中，x为0.02～0.5。
6.一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金的制备方法，它是按以下步骤进行：
7.一、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；
8.二、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；
9.三、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；
10.四、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-si高温重熔合金。
11.本发明的有益效果是：
12.一、本发明采用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；
13.二、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-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-si基合金的室温韧性和强度；
14.三、本发明利用电子束重熔技术中的束流强度和扫描速率控制nb-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。本发明设计的nb-16si-20ti-1zrc-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
·m1/2
～40mpa
·m1/2
，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-si基高温合金。
15.本发明用于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。
附图说明
16.图1为实施例一制备的nb-16si-20ti-1zrc-0.02sc重熔合金的显微组织图；
17.图2为实施例二制备的nb-16si-20ti-1zrc-0.05sc重熔合金的显微组织图；
18.图3为实施例三制备的nb-16si-20ti-1zrc-0.5sc重熔合金的显微组织图；
19.图4为实施例一至三制备的重熔nb-si合金的室温断裂韧性图；
20.图5为实施例一至三制备的重熔nb-si合金的室温压缩强度图；
21.图6为实施例一至三制备的重熔nb-si合金的高温(1200℃)压缩强度图。
具体实施方式
22.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-si高温重熔合金，按照原子百分比，它的化学通式为nb-16si-20ti-1zrc-xsc，其中，x为0.02～0.5。
23.本实施方式的有益效果是：
24.一、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；
25.二、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-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-si基合金的室温韧性和强度；
26.三、本实施方式利用电子束重熔技术中的束流强度和扫描速率控制nb-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。本实施方式设计的nb-16si-20ti-1zrc-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
·m1/2
～40mpa
·m1/2
，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-si基高温合金。
27.具体实施方式二：本实施方式一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金的制备方法，它是按以下步骤进行：
28.一、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；
29.二、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；
30.三、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；
31.四、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-si高温重熔合金。
32.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：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
×
10-3
pa～4
×
10-3
pa，最后通入保护性氩气至400pa～500a。其它与具体实施方式二相同。
33.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三之一不同的是：步骤二中在氩气气氛及电流为600a的条件下熔炼。其它与具体实施方式二或三相同。
34.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤二中在氩气气氛下重复熔炼6次～7次。其它与具体实施方式二至四相同。
35.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤二中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，先熔炼单质ti，然后熔炼其他称取的原料，得到铸锭。其它与具体实施方式二至五相同。
36.本实施例为了进一步降低熔炼室内的氧含量，首先熔炼海绵钛颗粒。
37.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤三中采用800#水磨砂纸打磨去除线切割痕迹，最后采用酒精清洗。其它与具体实施方式二至六相同。
38.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤四中抽真空至3
×
10-3
pa～4
×
10-3
pa，然后通入保护性氩气至200pa～500pa。其它与具体实施方式二至七相同。
39.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤四中利用电流为25ma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。其它与具体实施方式二至八相同。
40.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是：步骤四中利用电流为25ma的束流，在移动速度为400mm/min的条件下，对预热后的金属板进行重熔。其它与具体实施方式二至九相同。
41.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
42.实施例一：
43.一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金，按照原子百分比，它的化学通式为nb-16si-20ti-1zrc-0.02sc。
44.上述兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金的制备方法，它是按以下步骤进行：
45.一、按照原子百分比为16％si、20％ti、1％zrc、0.02％sc和62.98％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；
46.二、按颗粒尺寸由小到大，将称取的原料自下而上依次放置于非自耗水冷铜坩埚内，然后置于熔炼室内，通过机械泵将熔炼室抽真空至15pa，然后通入保护性氩气20s，重复抽真空及通氩气三次，再通过分子泵将熔炼室抽真空至3
×
10-3
pa，最后通入保护性氩气至500pa，然后在氩气气氛及电流为600a的条件下，先熔炼单质ti，然后熔炼其他称取的原料，重复熔炼6次，得到铸锭；
47.三、采用电火花将铸锭切割成板材，采用800#水磨砂纸打磨去除线切割痕迹，最后采用酒精清洗，得到金属板；
48.四、将金属板材固定于电子束沉积室平台上，抽真空至3
×
10-3
pa，然后通入保护性氩气至200pa，利用电流为15ma的束流预热金属板，然后利用电流为25ma的束流，在移动速度为100mm/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-si高温重熔合金，即nb-16si-20ti-1zrc-0.02sc重熔合金。
49.步骤一中所述的单质si为尺寸3nm～5mm的小尺寸块状晶体，所述的单质ti为尺寸2mm～4mm的海绵块体，所述的zrc为粒径400目的粉末，所述的单质sc为直径1mm的丝状，所述的单质nb为尺寸10mm
×
10mm
×
1mm的小尺寸板材；
50.步骤二中所述的下而上依次为zrc、单质sc、单质ti、单质si和单质nb；
51.图1为实施例一制备的nb-16si-20ti-1zrc-0.02sc重熔合金的显微组织图；由图可知，实施例一中nb-16si-20ti-1zrc-0.02sc重熔合金的组织细小，为两相复合生长的树枝晶形貌组织，nbss/nb5si3共晶组织相尺寸为500nm～900nm不等，不存在大尺寸的初生硅化物相。
52.实施例二：本实施例与实施例一不同的是：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，按照原子百分比，它的化学通式为nb-16si-20ti-1zrc-0.05sc；步骤一中按照原子百分比为16％si、20％ti、1％zrc、0.05％sc和62.95％nb的比例称取单质si、单质ti、zrc、单质sc和单质nb；步骤四利用电流为25ma的束流，在移动速度为200mm/min的条件下，对预热后的金属板进行重熔。其它与实施例一相同。
53.图2为实施例二制备的nb-16si-20ti-1zrc-0.05sc重熔合金的显微组织图；由图可知，实施例二中nb-16si-20ti-1zrc-0.05sc重熔合金的组织细小，为两相复合生长的树枝晶形貌组织，nbss/nb5si3共晶组织相尺寸为700nm～900nm不等，不存在大尺寸的初生硅化物相。
54.实施例三：本实施例与实施例一不同的是：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，按照原子百分比，它的化学通式为nb-16si-20ti-1zrc-0.5sc；步骤一中按照原子百分比为16％si、20％ti、1％zrc、0.5％sc和62.5％nb的比例称取单质si、单质ti、zrc、单质sc和单质nb；步骤四利用电流为25ma的束流，在移动速度为400mm/min的条件下，对预热后的金属板进行重熔。其它与实施例一相同。
55.图3为实施例三制备的nb-16si-20ti-1zrc-0.5sc重熔合金的显微组织图；由图可知，实施例三nb-16si-20ti-1zrc-0.5sc重熔合金的组织细小，为两相复合生长的树枝晶形貌组织，nbss/nb5si3共晶组织相尺寸为400nm～600nm不等，不存在大尺寸的初生硅化物相。
56.在加载速率为0.2mm/min条件下，对实施例一至三制备的重熔合金进行室温断裂韧性实验，在加载速率为0.5mm/min条件下，对实施例一至三制备的重熔合金进行室温压缩
强度实验；在加载速率为0.5mm/min条件下，对实施例一至三制备的重熔合金进行1200℃压缩强度实验；图4为实施例一至三制备的重熔nb-si合金的室温断裂韧性图；图5为实施例一至三制备的重熔nb-si合金的室温压缩强度图；图6为实施例一至三制备的重熔nb-si合金的高温(1200℃)压缩强度图。实施例一制备的重熔nb-si合金室温断裂韧性为22.6mpa
·m1/2
，室温压缩强度为2241mpa，高温压缩强度为391mpa。实施例二制备的重熔nb-si合金室温断裂韧性为28.6mpa
·m1/2
，室温压缩强度为2355mpa，高温压缩强度为428mpa。实施例三制备的重熔nb-si合金室温断裂韧性为39.1mpa
·m1/2
，室温压缩强度为2757mpa，高温压缩强度为456mpa。综上所述实施例一至三的电子束重熔制备的纳米共晶nb-si高温合金兼具强度和韧性，力学性能优异。从图4～6可知，随着电子束扫描速率的增加，室温断裂韧性、室温和高温压缩强度逐渐增加。

技术特征：
1.一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金，其特征在于按照原子百分比，它的化学通式为nb-16si-20ti-1zrc-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-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-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-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
×
10-3
pa～4
×
10-3
pa，最后通入保护性氩气至400pa～500a。4.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-si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤二中在氩气气氛及电流为600a的条件下熔炼。5.根据权利要求4所述的一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤二中在氩气气氛下重复熔炼6次～7次。6.根据权利要求5所述的一种兼具高强度和室温韧性的纳米共晶nb-si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤二中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，先熔炼单质ti，然后熔炼其他称取的原料，得到铸锭。7.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-si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤三中采用800#水磨砂纸打磨去除线切割痕迹，最后采用酒精清洗。8.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-si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤四中抽真空至3
×
10-3
pa～4
×
10-3
pa，然后通入保护性氩气至200pa～500pa。9.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-si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤四中利用电流为25ma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。10.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-si高温重熔合金的制备方法，其特征在于步骤四中利用电流为25ma的束流，在移动速度为400mm/min的条件下，对预热后的金属板进行重熔。

技术总结
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，它涉及一种Nb-Si高温重熔合金及其制备方法。本发明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。纳米共晶Nb-Si高温重熔合金：按照原子百分比，它的化学通式为Nb-16Si-20Ti-1ZrC-xSc，其中，x为0.02～0.5；制备：一、称取原料；二、铸锭的制备；三、金属板的制备；四、电子束重熔；本发明用于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。Si高温重熔合金及其制备。Si高温重熔合金及其制备。


技术研发人员：陈德志 陈瑞润 王墅 王琪 王亮
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/20