CN100348756C - 一种单相铌钨铪超高温合金材料 - Google Patents

一种单相铌钨铪超高温合金材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铌钨铪Nb-W-Hf高温合金，该合金由70at%～82at%的铌Nb、13at%～15at%的钨W，5at%～15at%的铪Hf组成。该合金材料是单相铌基固溶体Nbss，通过对铌进行多元固溶强化可使铌合金既具有足够的高温强度，又保持良好的室温塑性，从而达到高温强度和室温塑性的平衡。该单相铌钨铪合金在1400℃屈服强度为180MPa～360MPa；1200℃屈服强度为300～410MPa；室温塑性大于11%。该铌钨铪高温合金材料密度为9.7～10.8g/cm3。

Description

一种单相铌钨铪超高温合金材料
技术领域
本发明涉及一种单相铌钨铪超高温合金材料，是在铌基体中添加钨和铪元素进行多元固溶强化又利用铪元素改善单相铌基固溶体室温塑性，从而达到铌基合金的高温强度和室温塑性平衡的一种新型超高温合金材料。
背景技术
随着我国航空航天事业的蓬勃发展，对新一代航空器的一些关键材料提出的要求是有适当的密度，既在1200℃～1400℃的高温下具有一定的强度，又要求在室温下有足够的塑性和韧性，新型的超高温材料的开发是摆在我国材料科技工作者面前的紧迫任务。目前，在高温领域使用最成熟和最广泛的Ni基超合金的最高工作温度为1050℃～1150℃，该温度已达到Ni基超合金熔点的80％～85％，进一步提高其使用温度是非常有限的。为了满足1200℃～1400℃的温度范围航天器的高温强度和室温塑性的服役条件，必须开发难熔金属基的新型超高温合金材料以适应相关工业领域未来发展的需要。
过度族难熔金属铌是一种具有高熔点(2467℃)、适当的密度(8.55g/cm3)、良好的室温韧性和易于合金化的金属元素，是最有希望在超高温领域应用的金属材料。在铌中添加与之有较大原子尺寸差异和高熔点的Hf和W元素形成单相固溶体，应用多元固溶强化的设计思想可提高铌基合金的高温力学性能又能保持铌基固溶体良好的室温塑性，可以作为航空器在1200℃～1400℃范围内使用的高温结构材料，能满足高温强度和室温塑性相平衡的需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种高温强度和室温塑性良好配合的NbWHf单相高温合金材料，该NbWHf高温合金可以超越目前具有两相Nb/Nb5Si3结构的高温材料NbWHfSi所无法达到的室温塑性，又具有足够的高温强度，满足1200℃～1400℃范围内的强度和室温塑性的需要。
本发明公开了一种铌钨铪高温合金材料，其特征在于：该合金由70at％～82at％的铌Nb、13at％～15at％的钨W和5at％～15at％的铪Hf组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的铌钨铪高温合金材料，其组份为Nb70W15Hf15或者Nb77W13Hf10。
所述的单相铌钨铪高温合金材料，在1400℃屈服强度为180MPa～360MPa；在1200℃屈服强度为300～410MPa；室温塑性大于11％。该铌钨铪高温合金材料密度为9.7～10.8g/cm3。
本发明的一种铌钨铪高温合金材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb，纯度为99.99％的钨W和纯度为99.99％的铪Hf；
(2)将上述称取的铌、钨和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2200℃熔炼成NbWHf高温合金锭材；
(3)将上述制得的NbWHf高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度1700℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到单相的Nb70-82W13～15Hf5～15高温合金材料。
本发明的单相NbWHf高温合金材料的优点：在Nb基础上，应用多元合金化和固溶强化的原则，通过添加与Nb有较大原子尺寸差异和高熔点的Hf和W元素既提高的高温力学性能，又保持了单相Nb固溶体良好的室温塑性。这类合金密度为9.7～10.8g/cm3，接近Ni基超合金的密度(约为8g/cm3)，远低于Ir基高温合金的密度(19～22g/cm3)，具有良好的高温强度和室温塑性的配合，适合用于对强度要求高的高温静力场合。
附图说明
图1是Nb70W15Hf15合金在不同温度条件下的压缩应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的一种铌钨铪高温合金材料，该合金由70at％～82at％的铌Nb、13at％～15at％的钨W和5at％～15at％的铪Hf组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明的一种铌钨铪高温合金材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb，纯度为99.99％的钨W和纯度为99.99％的铪Hf；
(2)将上述称取的铌、钨和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2200℃熔炼成NbWHf高温合金锭材；
(3)将上述制得的NbWHf高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度1700℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到单相的Nb70～82W13～15Hf5～15高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的NbWHf高温合金材料中切取直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用日本岛津高温实验机进行压缩应力-应变测试。压缩应变速率为3×10-4s-1，真空度为1×10-2Pa～1×10-3Pa，实验温度为室温，1200℃和1400℃。圆柱体试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。高温实验时加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。铌钨铪高温合金材料的主要性能参数如下表所示：
测试温度℃ 屈服强度MPa 维氏硬度HV 室温塑性ε 密度(ρ)g/cm3
25 ＞800 295～400 ＞11％ 9.7～10.8
1200 300～410
1400 180～360
本发明的单相Nb70～82W13～15Hf5～15高温合金材料，可以超越目前具有两相Nb/Nb5Si3结构的NbWHfSi高温材料所无法达到的室温塑性，又具有足够的高温强度，满足1200℃～1400℃范围内的强度和室温塑性的需要。
实施例1：制Nb70W15Hf15合金材料
(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb，纯度为99.99％的钨W和纯度为99.99％的铪Hf；
(2)将上述称取的铌，钨和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2200℃熔炼成NbWHf高温合金锭材；
(3)将上述制得的NbWHf高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度1700℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到单相的Nb70W15Hf15高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Nb70W15Hf15高温合金材料中切取直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用日本岛津高温实验机进行压缩压力-应变测试。压缩应变速率为3×10-4s-1，真空度为1×10-2Pa～1×10-3Pa，实验温度为室温，1200℃和1400℃。圆柱体试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。高温实验时加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。不同温度下Nb70W15Hf15的压缩应力-应变曲线参见图1所示，在1400℃下，Nb70W15Hf15的0.2％屈服强度为360MPa，最高强度为520MPa；1200℃下的0.2％屈服强度为410MPa，最高强度为900MPa；室温下0.2％屈服强度为870MPa，塑性为14％。Nb70W15Hf15高温合金材料在本发明的成份范围内，具有单相Nbss结构，是所有NbWHf高温合金中高温强度和室温塑性最高的合金。
实施例2：制Nb77W13Hf10合金材料
(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb，纯度为99.99％的钨W和纯度为99.99％的铪Hf；
(2)将上述称取的铌、钨和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2200℃熔炼成NbWHf高温合金锭材；
(3)将上述制得的NbWHf高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度1700℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到单相的Nb77M13Hf10高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Nb77W13Hf10高温合金材料中切取直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用日本岛津高温实验机进行压缩压力-应变测试。压缩应变速率为3×10-4s-1，真空度为1×10-2Pa～1×10-3Pa，实验温度为室温，1200℃和1400℃。圆柱体试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。高温实验时加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。
Nb77W13Hf10高温合金材料的主要性能参数如下表所示：
测试温度℃ 屈服强度MPa 维氏硬度HV 室温塑性ε   密度(ρ)g/cm3
25 800 367 12％   10.3
1200 408
1400 345
上表所示的Nb77W13Hf10高温合金材料在本发明的成份范围内，具有单相NbSS结构。

Claims (5)

1、一种铌钨铪高温合金材料，其特征在于：该合金由70at％～82at％的铌Nb、13at％～15at％的钨W和5at％～15at％的铪Hf组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
2、根据权利要求1所述的铌钨铪高温合金材料，其特征在于：该铌钨铪高温合金材料为Nb70W15Hf15。
3、根据权利要求1所述的铌钨铪高温合金材料，其特征在于：该铌钨铪高温合金材料为Nb77W13Hf10。
4、根据权利要求1所述的铌钨铪高温合金材料，其特征在于：该单相铌钨铪合金材料在1400℃屈服强度为180MPa～360MPa；在1200℃屈服强度为300～410MPa；室温塑性大于11％；该铌钨铪高温合金材料密度为9.7～10.8g/cm3。
5、一种铌钨铪高温合金材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb，纯度为99.99％的钨W和纯度为99.99％的铪Hf；
(2)将上述称取的铌，钨和铪原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2200℃熔炼成NbWHf高温合金锭材；
(3)将上述制得的NbWHf高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度1700℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到单相Nb70～82W13～15Hf5～15高温合金材料。
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