CN101235455A - 一种铌钛硅锆铪硼合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铌钛硅锆铪硼NbTiSiZrHfB合金，该合金由46～82.5at％的铌Nb、10～30at％钛Ti、3at％～10at％的硅Si、0.5～4at％的锆Zr、2～8at％的铪Hf和2at％的硼B组成。该铌钛硅锆铪硼合金材料的密度为7.030～8.185g/cm³；在室温下的断裂韧性为13～37MPa·m^1/2；在室温下的屈服强度为700～1300MPa；在室温下的维氏硬度为HV 280～420。

Description

一种铌钛硅锆铪硼合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铌钛硅锆铪硼NbTiSiZrHfB合金材料，是通过在铌基体中添加钛、铪、锆、硼元素进行韧化，添加硅元素形成高温强化相硅化物Nb₅Si₃进行强化的方式来提高铌基合金的室温韧性并保持一定高温力学性能的一种新型合金材料。

背景技术

随着我国航空航天事业的蓬勃发展，要求发动机具有更高的推重比和工作效率，必须提高其工作温度。作为高温结构材料，必须在高温强度、蠕变抗力、室温韧性、抗氧化性和密度等方面具有良好的综合性能。目前最先进的叶片材料，镍基单晶高温合金，如CMSX-10，Rene N6等的最高工作温度为1100～1150℃，达到了该类材料熔点的80～85％，接近使用温度的极限。因此，研制新的具有更高耐温能力的材料是一项十分紧迫的任务。

过度族难熔金属铌Nb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。Nb可以和许多合金元素形成置换固溶体(如Mo、W、Al、Hf、Ti、Zr、Si等)和金属间化合物。为提高Nb系合金的综合性能，特别是强度和韧性的配合，对Nb进行韧化和并引入强化相强化是非常有效的手段。

发明内容

本发明的目的是提出一种高强度Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金材料，该Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金应用多元合金化方法在铌中添加韧化元素Ti、Hf和B等元素达到对固溶体的进一步韧化，添加可形成高温强化相硅化物Nb₅Si₃的Si元素，可满足对强度的需求。上述设计方法得到的Nb基合金可以作为航天器在1100～1250℃范围内使用的高温结构材料，具有韧性和强度性能平衡的特征，可以超越目前金属镍基、铁基和钴基高温材料的承温能力，满足韧性和强度配合的需要。

本发明的一种铌钛硅锆铪硼NbTiSiZrHfB合金材料由46～82.5at％的铌Nb、10～30at％钛Ti、3at％～10at％的硅Si、0.5～4at％的锆Zr、2～8at％的铪Hf和2at％的硼B组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

所述的铌钛硅锆铪硼合金材料，其组份有Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂或者Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂或者Nb₆₄Ti₂₀Si₈Zr₄Hf₂B₂。

所述铌钛硅锆铪硼合金材料的密度为7.030～8.185g/cm³。

所述的铌钛硅锆铪硼合金材料，在室温25℃下的断裂韧性为13～37MPa·m^1/2；屈服强度为700～1300MPa；维氏硬度为HV 280～420。

所述的铌钛硅锆铪硼合金材料，在抗拉强度为1205～1625Mpa时，变形率为5％～22％；

本发明的一种铌钛硅锆铪硼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％的钛Ti、纯度为99.99％的硅Si、纯度为99.99％的锆Zr、纯度为99.99％的铪Hf和纯度为99.999％的硼B；

(2)将上述称取的铌、钛、硅、锆、铪和硼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2000～2400℃熔炼成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材；

(3)将上述制得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1～5×10^-3Pa，热处理温度1600℃下保温50小时后，随炉冷却，即得到Nb_46～82.5Ti_10～30Si_3～10Zr_0.5～4Hf_2～8B₂合金材料。

本发明Nb_46～82.5Ti_10～30Si_3～10Zr_0.5～4Hf_2～8B₂合金材料的优点：在Nb基础上，添加韧化元素Ti、Hf、Zr和B等，以及可形成硅化物的Si元素，应用多元合金化，固溶体韧化和高温强化相硅化物Nb₅Si₃强化的设计思想可提高铌基合金的韧性和强度。这类合金密度为7.030～8.185g/cm³，低于镍Ni基超合金的密度(Ni基密度为8～9g/cm³)，在具有良好韧性和强度配合的优点。

附图说明

图1是Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂合金在室温下的三点弯曲力学试验的载荷-位移曲线。

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。

本发明的一种铌钛硅锆铪硼NbTiSiZrHfB合金材料由46～82.5at％的铌Nb、10～30at％钛Ti、3at％～10at％的硅Si、0.5～4at％的锆Zr、2～8at％的铪Hf和2at％的硼B组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

本发明的一种铌钛硅锆铪硼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％的钛Ti、纯度为99.99％的硅Si、纯度为99.99％的锆Zr、纯度为99.99％的铪Hf和纯度为99.999％的硼B；

(2)将上述称取的铌、钛、硅、锆、铪和硼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2000～2400℃熔炼成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材；

(3)将上述制得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1～5×10^-3Pa，热处理温度1600℃下保温50小时后，随炉冷却，即得到Nb_46～82.5Ti_10～30Si_3～10Zr_0.5～4Hf_2～8B₂合金材料。

采用线切割方法，在上述制得的Nb_46～82.5Ti_10～30Si_3～10Zr_0.5～4Hf_2～8B₂合金材料中分别切出三点弯曲和压缩试样。三点弯曲试样尺寸为6mm×3mm×30mm，并用线切割方法切出长度为a的预制裂纹(a/w＝0.5，w为试样宽度)；压缩试样为直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体，采用SANS电子式材料实验机进行室温(25℃)三点弯曲和压缩应力-应变测试。三点弯曲加载速率为0.1mm/min，直至裂纹失稳扩展，压缩应变速率为3×10^-4s^-1。所有试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。经测试Nb_46～82.5Ti_10～30Si_3～10Zr_0.5～4Hf_2～8B₂合金材料的主要性能参数如下表所示：

断裂韧性(MPa·m1/2)	屈服强度(MPa)	抗压强度(MPa)	变形率(％)	维氏硬度(HV)	密度(g/cm3)
						13～37	700～1300	1205～1625	5～22	280～420	7.030～8.185

本发明的Nb_46～82.5Ti_10～30Si_3～10Zr_0.5～4Hf_2～8B₂合金材料，可以超越目前金属镍基、铁基和钴基高温材料承温能力，可以满足韧性和强度的不同需要，作为高温结构材料使用。

实施例1：制Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂合金材料

(1)按Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb、纯度为99.99％的钛Ti、纯度为99.99％的硅Si、纯度为99.99％的锆Zr、纯度为99.99％的铪Hf和纯度为99.999％的硼B；

(2)将上述称取的铌、钛、硅、铪和硼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2400℃熔炼成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材；

(3)将上述制得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度3×10^-3Pa，热处理温度1600℃下保温50小时后，随炉冷却，即得到Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂合金材料。

采用线切割方法，在上述制得的Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂合金材料中，分别切出三点弯曲和压缩试样。三点弯曲试样尺寸为6mm×3mm×30mm，并用线切割方法切出长度为a的预制裂纹(a/w＝0.5，w为试样宽度)；压缩试样为直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体，采用SANS电子式材料实验机进行室温三点弯曲和压缩应力-应变测试。三点弯曲加载速率为0.1mm/min，直至裂纹失稳扩展，压缩应变速率为3×10^-4s^-1。所有试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。对测试获得的参数经计算得到Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂合金材料的断裂韧性为19MPa·m^1/2。Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂合金材料在本发明的成份范围内，具有两相Nb_ss/Nb₅Si₃结构，在Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B高温合金中具有良好的韧性和最大的塑性变形率，各性能参数见表一。

实施例2：制Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂合金材料

(1)按Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb、纯度为99.99％的钛Ti、纯度为99.99％的硅Si、纯度为99.99％的锆Zr、纯度为99.99％的铪Hf和纯度为99.999％的硼B；

(2)将上述称取的铌、钛、硅、锆、铪和硼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2000℃熔炼成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材；

(3)将上述制得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度3×10^-3Pa，热处理温度1600℃下保温50小时后，随炉冷却，即得到Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂合金材料。

采用与实施例1相同的测试方法进行合金材料性能检测，各性能参数见表一。

室温下Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂的压缩应力应变曲线参见图1。图中，Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂合金材料的最大抗压强度为1625MPa，变形率为5％。

实施例3：制Nb₆₄Ti₂₀Si₈Zr₄Hf₂B₂合金材料

(1)按Nb₆₄Ti₂₀Si₈Zr₄Hf₂B₂成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb、纯度为99.99％的钛Ti、纯度为99.99％的硅Si、纯度为99.99％的锆Zr、纯度为99.99％的铪Hf和纯度为99.999％的硼B；

(2)将上述称取的铌、钛、硅、锆、铪和硼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2250℃熔炼成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材；

(3)将上述制得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度5×10^-3Pa，热处理温度1600℃下保温50小时后，随炉冷却，即得到Nb₆₄Ti₂₀Si₈Zr₄Hf₂B₂合金材料。

采用与实施例1相同的测试方法进行合金材料性能检测，各性能参数见表一。

表一：Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂、Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂、Nb₆₄Ti₂₀Si₈Zr₄Hf₂B₂合金材料的主要性能参数如下表所示：

	断裂韧性(MPa·m1/2)	屈服强度(MPa)	抗压强度(MPa)	变形率(％)	维氏硬度(HV)	密度(g/cm3)
							实施例1	19	855	1444	22	335	8.185
实施例2	14	1300	1625	5	411	7.030
							实施例3	14.5	1250	1550	7	400	7.210

Claims (6)

1、一种铌钛硅锆铪硼合金，其特征在于：该合金由46～82.5at％的铌Nb、10～30at％钛Ti、3at％～10at％的硅Si、0.5～4at％的锆Zr、2～8at％的铪Hf和2at％的硼B组成，并且上述各成分的含量之和为100％。

2、根据权利要求1所述的铌钛硅锆铪硼合金，其特征在于：合金组份有Nb_77.5Ti₁₀Si₄Zr_0.5Hf₆B₂或者Nb₅₀Ti₃₀Si₈Zr₄Hf₆B₂或者Nb₆₄Ti₂₀Si₈Zr₄Hf₂B₂。

3、根据权利要求1所述的铌钛硅锆铪硼合金，其特征在于：该合金材料的密度为7.030～8.185g/cm³。

4、根据权利要求1所述的铌钛硅锆铪硼合金，其特征在于：该合金材料在室温下的断裂韧性为13～37MPa·m^1/2；在室温下的屈服强度为700～1300MPa；在室温下的维氏硬度为HV 280～420。

5、根据权利要求1所述的铌钛硅锆铪硼合金，其特征在于：该合金材料在抗拉强度为1205～1625MPa时，变形率为5％～22％。

6、一种制备如权利要求1所述的铌钛硅锆铪硼合金的方法，其特征在于有下列步骤：

(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌Nb、纯度为99.99％的钛Ti、纯度为99.99％的硅Si、纯度为99.99％的锆Zr、纯度为99.99％的铪Hf和纯度为99.999％的硼B；

(2)将上述称取的铌、钛、硅、锆、铪和硼原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1～5×10^-3Pa，充入高纯氩气至1.01×10⁵Pa，然后在2000～2400℃熔炼成Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材；

(3)将上述制得的Nb-Ti-Si-Zr-Hf-B合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1～5×10^-3Pa，热处理温度1600℃下保温50小时后，随炉冷却，即得到Nb_46～82.5Ti_10～30Si_3～10Zr_0.5～4Hf_2～8B₂合金材料。

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