專利名稱：：一種鈮硅鉿鈦鋁鉻超高溫合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鈮硅鉿鈦鋁鉻NbSiHfTiAlCr超高溫合金材料，主要是通過在鈮Nb基體中添加鈦Ti和鉿Hf元素進行韌化，添加硅Si元素形成高溫強化相硅化物NbsSi3進行強化，添加鉻Cr元素形成抗高溫氧化Leaves相Cr2Nb的方式來達到鈮基合金的高低溫力學(xué)性能和髙溫抗氧化性平衡的一種新型超髙溫合金材料。
背景技術(shù)：
：隨著我國航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對新一代航天器的一些關(guān)鍵材料提出的要求是有適當?shù)拿芏?，?150135(TC的溫度范圍滿足強度要求，并能達到高低溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性平衡的新型的超高溫材料。目前，在高溫領(lǐng)域使用最成熟和最廣泛的鎳Ni基超合金的最高工作溫度為1050115(TC，該溫度已達到鎳Ni基超合金熔點的8085%,進一步提高其使用溫度是非常有限的。為了滿足1150135(TC的溫度范圍航天器的服役條件的需要，必須開發(fā)金屬基的新型超高溫合金材料以適應(yīng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域未來發(fā)展的需要。過度族金屬鈮Nb是一種具有高熔點(2467°C)、適當?shù)拿芏?8.55g/cm3)、良好的室溫韌性和易于合金化的金屬元素，是最有希望在超高溫領(lǐng)域應(yīng)用的金屬材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種高強度NbSiHfTiAlCr高溫合金材料，通過在鈮Nb中添加Hf和Ti元素進行韌化，添加Si元素形成硅化物NbsSi3進行強化，添加鉻Cr元素形成Leaves相Cr2Nb提高抗高溫氧化性。使用上述多元多相合金化思路，調(diào)配相組成，可以使Nb基合金達到高溫強度、室溫韌性和高溫抗氧化性的平衡，可以作為航天器在1150135(TC范圍內(nèi)使用的高溫結(jié)構(gòu)材料。該NbSiHfTiAlCr高溫合金可以超越目前金屬鎳Ni基、鐵Fe基和鈷Co基高溫材料所無法達到的承溫能力。本發(fā)明的一種鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料由3661at。/。的鈮Nb、1118at%硅Si,2at。/。的鉿Hf,22at。/。的鈦Ti，2at。/。的鋁Al和2~20at。/。的鉻Cr組成，并且上述各成分的含量之和為100%。所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料，其組份為Nb56Si16Hf2Ti22Al2Cr2或者Nb43SiwHf2Ti22Al2Cl^或者NbwSiuH^T^AlsCrs。所述鈮硅鉿鈦鋁鉻髙溫合金材料的密度為6.346.92g/cm3。所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料，在135(TC時屈服強度為90~320MPa;在125CTC時屈服強度為120~370MPa,變形率大于10%。所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料，在室溫(25°C)斷裂韌性為9~18MPam1/2。所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料，在125(TC空氣中進行暴露試驗100小時的氧化增重為50200mg/cm2。本發(fā)明的一種鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按成份配比稱取純度為99.99%的鈮Nb、純度為99.99%的硅Si、純度為99.99%的鈦Ti、純度為99.99%的鉿Hf、純度為99.99%的鋁Al和純度為99.99。/o鉻Cn(2)將上述稱取的鈮、硅、鉿、鈦、鋁和鉻原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至l~5xlCr3Pa，充入高純氬氣至1.0lXl05Pa，然后在2000~2400°C熔煉成NbSiHfTiAlCr髙溫合金錠材；(3)將上述制得的NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度l5xlO_3Pa，熱處理溫度1375。C下保溫IOO小時后，隨爐冷卻，即得到Nb36^SimHf2Ti22Al2ClV2o高溫合金材料。本發(fā)明NbSiHfTiAlCr高溫合金材料的優(yōu)點在Nb基礎(chǔ)上，應(yīng)用對固溶體韌化、用硅化物NbsSi3強化和Cr2Nb相抗高溫氧化的多元合金化和多相設(shè)計思路，通過添加Hf和Ti元素來韌化Nb固溶體、添加Cr元素提髙高溫抗氧化性，添加Al和Si形成強化相硅化物來提高合金的髙溫力學(xué)性能，適當調(diào)配相組成可達到高低溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性的平衡。本發(fā)明NbSiHfTiAlCr合金密度為6.346.92g/cm3,遠低于Ni基超合金的密度(Ni基超合金密度為89g/cm3)。圖1是池56^16^2112^120:2合金在1250°C下的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。具體實施方式下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明的一種鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料由36~61at。/。的鈮Nb、1118at%硅Si，2at。/。的鉿Hf，22at。/。的鈦Ti，2at。/。的鋁Al和2~20at。/。的鉻Cr組成，并且上述各成分的含量之和為100%。本發(fā)明的一種鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按成份配比稱取純度為99.99%的鈮Nb、純度為99.99%的硅Si、純度為99.99%的鈦Ti、純度為99.99%的鉿Hf、純度為99.99%的鋁Al和純度為99.99%鉻Cr;(2)將上述稱取的鈮、硅、鉿、鈦、鋁和鉻原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至l5xlO-3Pa，充入高純氬氣至1.01Xl05Pa，然后在2000~2400°C熔煉成鈮硅鉿鈦鋁鉻NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材；(3)將上述制得的鈮硅鉿鈦鋁鉻NbSiHfHAlCr高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度l5xlCrSPa，熱處理溫度1375。C下保溫100小時后，隨爐冷卻，即得到Nb36^Siu^Hf2Ti22Al2Cr2j髙溫合金材料。采用線切割方法，在上述制得的NbSiHfHAlCr高溫合金材料中切取直徑d=8mm，高度h-12mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用Gellbel髙溫實驗機進行壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測試。壓縮應(yīng)變速率為3X10-3s"，氬氣保護下，實驗溫度為室溫、125CTC和1350°C，氬氣保護。圓柱體試樣在實驗前用1000并SiC砂紙進行表面拋光。高溫實驗時加熱速度為10°C/s,到達設(shè)定溫度后保持2min再進行壓縮實驗。三點彎曲試樣尺寸為6mmX3mmX30mm，并用線切割方法切出長度為a的預(yù)制裂紋(a/w=0.5，w為試樣寬度)，采用SANS電子式材料實驗機進行室溫三點彎曲試驗，高溫氧化試樣的尺寸是直徑d-10mm，高度h-3mm的圓柱體，采用125(TC下空氣中進行暴露試驗確定氧化增重。本發(fā)明鈮硅鉿鈦鋁鉻鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料的主要性能參數(shù)如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本發(fā)明的Nb36^Siu^Hf2Ti22Al2Cr^2。髙溫合金材料，可以超越目前金屬鎳基、鐵基和鈷基高溫材料承溫能力，達到高低溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性的平衡，可以滿足在11501350。C范圍內(nèi)的性能需要，可作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用。實施例1:制Nbs6SiwHf2Ti22Al2Cr2合金材料(1)按]^)563"6121122八12(:1"2成份配比稱取純度為99.99。/。的鈮Nb、純度為99.99。/。的硅Si、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99。/。的鉿Hf、純度為99.99%的鋁Al和純度為99.99%鉻Cr;(2)將上述稱取的鈮、硅、鉿、鈦、鋁和鉻原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至3X10—3Pa，充入高純氬氣至1.0lXl05Pa，然后在2400°C熔煉成NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材；(3)將上述制得的NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度3XlO"Pa，熱處理溫度1375。C下保溫100小時后，隨爐冷卻，即得到Nb56Si16Hf2Ti22Al2Cr2高溫合金材料。釆用線切割方法，在上述制得的Nb56Si16Hf2Ti22Al2Cr2高溫合金材料中切取直徑d=8mm，高度h=12mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用Gellbel高溫實驗機進行壓縮應(yīng)力一應(yīng)變測試。壓縮應(yīng)變速率為3X1CT38-1,實驗溫度為25°C、125(TC和1350°C，氬氣保護。圓柱體試樣在實驗前用lOOO弁SiC砂紙進行表面拋光。髙溫實驗時加熱速度為10。C/分鐘，到達設(shè)定溫度后保持2分鐘再進行壓縮實驗。三點彎曲試樣尺寸為6mmX3mmx30mm，并用線切割方法切出長度為a的預(yù)制裂紋(a/w=0.5,w為試樣寬度)，采用SANS電子式材料實驗機進行室溫三點彎曲試驗，高溫氧化試樣的尺寸是直徑d-10mm,高度h-3mm的圓柱體，釆用125(TC下空氣中進行暴露試驗確定氧化增重。Nb56Si16Hf2Ti22Al2Cr2合金材料的主要性能參數(shù)如下表所示:<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>在1250。C下Nb56SiwHf2Ti22Al2Cr2的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線參見圖l，圖中所示，在125(TC屈服強度為370MPa，變形率大于10%;室溫(25°C)斷裂韌性為14MPam1/2;制得的Nb56SiwHf2Ti22Al2Cr2高溫合金材料在本發(fā)明的成份范圍內(nèi)，具有三相Nbss/Nb5Si3/Cr2Nb結(jié)構(gòu)(三相比例約為0.48:0.48:0.04)，是所有NbSiHfTiAlCr合金中具有一定抗氧化性、強度最高且強韌性配合較好的合金。實施例2:制^343^14121122^20"17合金材料(1)按Nb43S"4Hf2Ti22Al2Ci^成份配比稱取純度為99.99。/。的鈮Nb、純度為99.99%的硅Si、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99。/。的鉿Hf、純度為99.99%的鋁Al和純度為99.99%鉻Cr;(2)將上述稱取的鈮、硅、鉿、鈦、鋁和鉻原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5X10—3Pa,充入高純氬氣至1.01Xl05Pa，然后在2000。C熔煉成NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材；(3)將上述制得的NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度5XlO-spa，熱處理溫度1375。C下保溫100小時后，隨爐冷卻，即得到Nb43Si14Hf2Ti22Al2Cr17高溫合金材料。采用與實施例1相同的方法對上述制得的1^433"4出^22^2<^17高溫合金材料進行性能測試。制得的恥4^14扭2^22八120:17高溫合金材料的主要性能參數(shù)如下密度為6.48g/cm3。室溫斷裂韌性為11MPa.m1/2。在125(TC時的屈服強度是120MPa;在1350。C時的屈服強度是120MPa。在125CTC空氣中進行暴露試驗IOO小時的氧化增重為50mg/cm2。制得的恥438"4出2^2^12(^17高溫合金材料在本發(fā)明的成份范圍內(nèi)，具有三相Nbss/Nb5Si3/Cr2Nb結(jié)構(gòu)(三相比例約為0.28:0.55:0.17),是所有NbSiHfTiAlCr合金中抗氧化性最好、強度和韌性適中的合金。實施例3:制Nb57SiuHf2Ti22Al2Cre合金材料(1)按Nbs7SinHf2Ti22Al2Cr6成份配比稱取純度為99.99。/。的鈮Nb、純度為99.99%的硅Si、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99。/。的鉿Hf、純度為99.99%的鋁Al和純度為99.99%鉻Cr;(2)將上述稱取的鈮、硅、鉿、鈦、鋁和鉻原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至5X10—3Pa，充入高純氬氣至1.01X105Pa,然后在2000。C熔煉成NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材；(3)將上述制得的NbSiHfTiAlCr髙溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度5X10—3Pa，熱處理溫度1375。C下保溫100小時后，隨爐冷卻，即得到Nbs7SiuHf2Ti22Al2Cr6高溫合金材料。采用與實施例1相同的方法對上述制得的肌4^141^21122^2。1"17高溫合金材料進行性能測試。制得的1^43&14121122八12(:1"17高溫合金材料的主要性能參數(shù)如下密度為6.86g/cm3。室溫斷裂韌性為12.8MPa'm1/2。在125(TC時的屈服強度是163MPa;在1350。C時的屈服強度是129MPa。在1250。C空氣中進行暴露試驗100小時的氧化增重為78mg/cm2。實施例4:制NbwS、iH^T^Al^rs合金材料(1)按Nb^SinHf2Ti22Al2Cr2成份配比稱取純度為99.99%的鈮Nb、純度為99.99%的硅Si、純度為99.99。/。的鈦Ti、純度為99.99。/。的鉿Hf、純度為99.99%的鋁Al和純度為99.99%鉻Cr;(2)將上述稱取的鈮、硅、鉿、鈦、鋁和鉻原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至1X10—3Pa，充入高純氬氣至1.01X105Pa,然后在225(TC熔煉成NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材；(3)將上述制得的NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度1X10—3Pa，熱處理溫度1375。C下保溫100小時后，隨爐冷卻，即得到NbwSinHf2Ti22Al2Cr2高溫合金材料。采用與實施例1相同的方法對上述制得的Nb^SiuHf2Ti22Al2Cr2高溫合金材料進行性能測試。制得的Nb6iSiuHf2Ti22Al2Cr2高溫合金材料的主要性能參數(shù)如下密度為6.92g/cm3。室溫斷裂韌性為14.1MPam1/2。在125CTC時的屈服強度是200MPa;在1350。C時的屈服強度是105MPa。在1250。C空氣中進行暴露試驗IOO小時的氧化增重為143mg/cm2。權(quán)利要求1、一種鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金，其特征在于該合金材料由36～61at％的鈮Nb、11～18at％硅Si，2at％的鉿Hf，22at％的鈦Ti，2at％的鋁Al和2～20at％的鉻Cr組成，并且上述各成分的含量之和為100％。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金，其特征在于組份有Nb56Si16Hf2Ti22Al2Cr2或者Nb43Si14Hf2Ti22Al2Cr17或者Nt^SiuHfJimAl^rs。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金，其特征在于該合金材料的密度為6.34~6.92g/cm3。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金，其特征在于該合金材料在135CTC時屈服強度為90~320MPa;在1250。C時屈服強度為120370MPa，變形率大于10%。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金，其特征在于該合金材料在25°C時的斷裂韌性為918MPa.m1/2。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金，其特征在于該合金材料在125CTC空氣中進行暴露試驗IOO小時的氧化增重為50~200mg/cm2。7、一種制備如權(quán)利要求1所述的鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金的方法，其特征在于有下列步驟(1)按成份配比稱取純度為99.99%的鈮Nb、純度為99.99%的硅Si、純度為99.99%的鈦Ti、純度為99.99%的鉿Hf、純度為99.99%的鋁Al和純度為99.99%鉻Cr;(2)將上述稱取的鈮、硅、鉿、鈦、鋁和鉻原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至1~5X10—3Pa，充入高純氬氣至1.01Xl05Pa，然后在20002400°C熔煉成NbSiHfTiAlCr高溫合金錠材；(3)將上述制得的NbSiHfTiAlCr髙溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度1~5X10—3Pa，熱處理溫度1375。C下保溫100小時后，隨爐冷卻，即得到Nb36wSiu"sHf2Ti22Al2Cr22o高溫合金材料。全文摘要本發(fā)明公開了一種鈮硅鉿鈦鋁鉻NbSiHfTiAlCr高溫合金，該合金材料由36～61at％的鈮Nb、11～18at％硅Si，2at％的鉿Hf，22at％的鈦Ti，2at％的鋁Al和2～20at％的鉻Cr組成，并且上述各成分的含量之和為100％。該鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料的密度為6.34～6.92g/cm³；在1350℃時屈服強度為90～320MPa；在1250℃時屈服強度為120～370MPa，變形率大于10％；在25℃時的斷裂韌性為9～18MPa·m^1/2。該鈮硅鉿鈦鋁鉻高溫合金材料在1250℃空氣中進行暴露試驗100小時的氧化增重為50～200mg/cm²。文檔編號C22C1/02GK101235460SQ20081010160公開日2008年8月6日申請日期2008年3月10日優(yōu)先權(quán)日2008年3月10日發(fā)明者周春根,虎張,徐惠彬,李小濺,沙江波,賈麗娜,馬朝利申請人:北京航空航天大學(xué)