CN103710576B - 一种钪、钽增强的高强度镍铌合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钪、钽增强的高强度镍铌合金材料，通过配料、混料、压坯和热压烧结步骤制备而成。把钪、钽作为有益的合金化元素引入到合金中的新思路，同时，铌元素降低了合金中铝的含量，保证合金具有好的塑韧性；通过热压烧结的手段，获得了高强度和耐磨性能的低成本高强度合金材料；通过加入镧和镨元素，细化了合金组织，进一步增强了合金强度，并使合金保持良好的室温和高温力学性能。

Description

一种钪、钽增强的高强度镍铌合金材料

技术领域

本发明涉及镍铌合金材料领域，具体的说，是涉及一种高强度镍铌合金材料。

背景技术

在航空、航天工业的发展过程中，先进材料的发展对于航空、航天技术的进步至关重要。基于节约能源和减少污染的需要，要求航空、航天结构材料不仅耐高温而且要具有高比强度和高比刚度。镍铌合金由于具有高熔点、高比强度和比模量、低蠕变速率、相对较小的密度、较好的导热性能和较好的抗高温氧化性等优点，使镍铌合金被视为高温轻质合金的潜力候选材料之一。然而，镍铌合金较差的室温塑性和高温强度限制了其广泛应用。目前，合成和制备镍铌金属间化合物及其合金的方法有很多，例如，合金熔炼法、等离子烧结法、燃烧合成法、机械合金化法和热等静压法等。然而，这些方法或多或少都存在一些不足。

镍铌金属间化合物的微观组织结构十分稳定，形成能较高，最大可以达到82kJ/mol。在镍铌合金发展过程中，合金化和复合材料技术一直作为两种最重要的手段来改善镍铌合金的组织和提高镍铌合金的性能。事实上，人们一直没有停止关于金属元素对镍铌合金组织和性能的影响规律的探索，然而，金属元素对镍铌合金强度和塑性的影响规律及其作用机制尚不明确，仍存在争议。

另外，目前陶瓷颗粒对镍铌合金性能的影响规律及机制还需要进一步揭示，关于改善镍铌合金强度和塑性的研究仍是当前国际上急需解决的世界难题。关于金属元素种类、含量及内生陶瓷颗粒结构、尺寸、形状、数量、分布对镍铌合金强度和塑性的影响机制尚不明确。很多研究人员试图在镍铌合金中添加一定数量的复相陶瓷，以期获得较好的综合力学性能。例如，以Ni粉、Nb粉、碳黑以及A1粉末为原料，制备出的镍铌基复合材料，由于复合陶瓷的加入使镍铌合金强度有显著的提高，经过HIP处理后，其强度得到了进一步提高，但是其高温强度提高的并不十分明显。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度镍铌合金材料，该镍铌合金具有高熔点、低密度、高屈服强度和断裂强度等性能。

本发明高强度镍铌合金材料的技术思想为：铌是镍基合金中应用较为广泛的稳定元素，镍基合金中的铌以置换原子方式存在于α相中，铌的加入可降低熔点和提高β转变温度，在室温和高温都起到强化作用。铌在烧结过程中促进了镍、铝以及碳等元素的相互扩散，有利于第二相的形成和细化。

钪的加入促进了烧结，细化了合金组织，提高了合金的力学性能。根据合金元素对镍基键合力的影响以及同镍元素的相互作用的特点，钽的加入可显著提高合金高温强度。而镧和镨的加入因其扩散速度慢而抑制镍晶粒长大，进一步细化了合金组织，并使合金保持良好的室温和高温力学性能。

本发明采用的技术方案是：一种高强度镍铌合金材料，其特征在于：所述镍铌合金含有下述重量百分比的组分：6.0～10.0％的Nb，2.0～4.0％的Sc，0.5～1.0％的C，2.0～3.0％的Ta，1.0～2.0％的Al，0.5～1％的La，0.5～1％的Pr，余量为镍及不可避免的杂质。

所述镍铌合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：按照所述的重量百分比称取相应量的镍粉、铌粉、铝粉、石墨粉、钪粉、钽粉、镧粉和镨粉，进行配料；

(2)混料：将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按适当的球料比放入混料罐中，在转速为200～300r／min的混料机上进行混料，混料时间为4～6小时，得到混好的粉料；

(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为450～550MPa，压坯后获得直径为15～20mm，高为20～30mm的圆柱形压坯料；

(4)热压烧结：将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，以适当的升温速度进行加热，当温度达到1000～1200℃时保温，并开始施加压力，维持所述压力和保温温度30～60s，然后随炉冷却至室温，最终得到镍铌合金产品。

所述配料步骤中，上述各组分的粉末粒度为：镍粉300～500目，铌粉400～600目、铝粉400～600目、石墨粉1000～2000目、钪粉400～600目、钽粉400～600目、镧粉300～500目，以及镨粉300～500目。

所述混料步骤中，所述粉料和不锈钢球按球料比5～10：1放入混料罐中。

所述热压烧结步骤中，抽真空至60～80Pa，以40～60℃／min的升温速度进行加热，当温度达到1000～1200℃时保温，并开始施加压力，压力为40～60MPa。

最终所得到的镍铌合金产品的屈服强度为500～600MPa，断裂强度为1200～1300MPa，硬度为450～550HV。

本发明的优点是：本发明提出了把钪、钽作为有益的合金化元素引入到合金中的新思路，同时，铌元素降低了合金中铝的含量，保证合金具有好的塑韧性；通过热压烧结的手段，获得了高强度和耐磨性能的低成本高强度合金材料；通过加入镧和镨元素，细化了合金组织，进一步增强了合金强度，并使合金保持良好的室温和高温力学性能。并克服了镍基合金耐磨性差、弹性模量低等缺点，对扩大镍基合金材料在航空航天和民用工业等领域应用将具有巨大的推动作用。

具体实施方式

下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

高强度镍铌合金材料含有下述重量百分比的组分：6.0％的Nb，2.0％的Sc，1.0％的C，2.0％的Ta，2.0％的Al，0.8％的La，1％的Pr，余量为镍及不可避免的杂质。首先，按照所述的重量百分比称取相应量的镍粉、铌粉、铝粉、石墨粉、钪粉、钽粉、镧粉和镨粉，进行配料，且各组分的粉末粒度为：镍粉400目，铌粉400目、铝粉400目、石墨粉2000目、钪粉600目、钽粉400目、镧粉500目，以及镨粉500目。将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按球料比5：1放入混料罐中，在转速为250r／min的混料机上进行混料，混料时间为4小时，得到混好的粉料。将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为550MPa，压坯后获得直径为20mm，高为20mm的圆柱形压坯料。将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至60Pa，以40℃／min的升温速度进行加热，当温度达到1200℃时保温，并开始施加压力，压力为40MPa，维持所述压力和保温温度30s，然后随炉冷却至室温，最终得到屈服强度为550MPa，断裂强度为1200MPa，硬度为450HV的镍铌合金产品。

实施例2：

高强度镍铌合金材料含有下述重量百分比的组分：10.0％的Nb，4.0％的Sc，1.0％的C，2.0％的Ta，1.0％的Al，0.5％的La，1％的Pr，余量为镍及不可避免的杂质。首先，按照所述的重量百分比称取相应量的镍粉、铌粉、铝粉、石墨粉、钪粉、钽粉、镧粉和镨粉，进行配料，且各组分的粉末粒度为：镍粉500目，铌粉600目、铝粉400目、石墨粉1000目、钪粉600目、钽粉400目、镧粉500目，以及镨粉400目。将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按球料比10：l放入混料罐中，在转速为300r／min的混料机上进行混料，混料时间为6小时，得到混好的粉料。将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为450MPa，压坯后获得直径为15mm，高为20mm的圆柱形压坯料。将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至80Pa，以50℃／min的升温速度进行加热，当温度达到1100℃时保温，并开始施加压力，压力为50MPa，维持所述压力和保温温度50s，然后随炉冷却至室温，最终得到屈服强度为500MPa，断裂强度为1250MPa，硬度为500HV的镍铌合金产品。

实施例3：

高强度镍铌合金材料含有下述重量百分比的组分：8.0％的Nb，3.0％的Sc，0.5％的C，3.0％的Ta，1.5％的Al，1％的La，0.5％的Pr，余量为镍及不可避免的杂质。首先，按照所述的重量百分比称取相应量的镍粉、铌粉、铝粉、石墨粉、钪粉、钽粉、镧粉和镨粉，进行配料，且各组分的粉末粒度为：镍粉500目，铌粉500目、铝粉600目、石墨粉1000目、钪粉500目、钽粉500目、镧粉300目，以及镨粉300目。将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按球料比8：1放入混料罐中，在转速为200r／min的混料机上进行混料，混料时间为5小时，得到混好的粉料。将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为500MPa，压坯后获得直径为20mm，高为30mm的圆柱形压坯料。将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至70Pa，以60℃／min的升温速度进行加热，当温度达到1000℃时保温，并开始施加压力，压力为60MPa，维持所述压力和保温温度60s，然后随炉冷却至室温，最终得到屈服强度为600MPa，断裂强度为1300MPa，硬度为550HV的镍铌合金产品。

对比例1：

将与本发明实施例组成成分相同的镍铌合金，在配料、混料和压坯后，将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至60～80Pa，以40～60℃／min的升温速度进行加热，将保温温度提高到1300℃以上或降低到1000以下，并调整施加的压力大于100Pa或小于40Pa或不施加压力，保持同样的时间后随炉冷却至室温，最终得到镍铌合金产品。最终所得到的镍铌合金产品的屈服强度低于400MPa，断裂强度低于1100MPa，硬度低于400HV。

对比例2：

改变本发明实施例镍铌合金的组成元素，以常规的Zn、Ti、Mg等元素替代Sc、Ta和稀土元素，则采用同样的配料、混料、压坯和热压烧结步骤后，最终所得到的镍铌合金产品，其屈服强度为200～350MPa，断裂强度为800～1000MPa，硬度为250～300HV。

由实施例1-3和对比例1和2可以看出，通过利用根据本发明实施例的一种高强度镍铌合金材料，把钪、钽作为有益的合金化元素引入到合金中的新思路，同时，铌元素降低了合金中铝的含量，保证合金具有好的塑韧性；通过热压烧结的手段，获得了高强度和耐磨性能的低成本高强度合金材料；通过加入镧和镨元素，细化了合金组织，进一步增强了合金强度，并使合金保持良好的室温和高温力学性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种高强度镍铌合金材料，其特征在于：所述镍铌合金含有下述重量百分比的组分：6.0～10.0％的Nb，2.0～4.0％的Sc，0.5～1.0％的C，2.0～3.0％的Ta，1.0～2.0％的Al，0.5～1％的La，0.5～1％的Pr，余量为镍及不可避免的杂质；

所述镍铌合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：按照所述的重量百分比称取相应量的镍粉、铌粉、铝粉、石墨粉、钪粉、钽粉、镧粉和镨粉，进行配料；

(2)混料：将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按适当的球料比放入混料罐中，在转速为200～300r/min的混料机上进行混料，混料时间为4～6小时，得到混好的粉料；

(3)压坯：将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为450～550MPa，压坯后获得直径为15～20mm，高为20～30mm的圆柱形压坯料；

(4)热压烧结：将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，以适当的升温速度进行加热，当温度达到1000～1200℃时保温，并开始施加压力，维持所述压力和保温温度30～60s，然后随炉冷却至室温，最终得到镍铌合金产品；

所述配料步骤中，上述各组分的粉末粒度为：镍粉300～500目，铌粉400～600目、铝粉400～600目、石墨粉1000～2000目、钪粉400～600目、钽粉400～600目、镧粉300～500目，以及镨粉300～500目。

2.如权利要求1所述的一种高强度镍铌合金材料，其特征在于：所述混料步骤中，所述粉料和不锈钢球按球料比5～10∶1放入混料罐中。

3.如权利要求1所述的一种高强度镍铌合金材料，其特征在于：所述热压烧结步骤中，抽真空至60～80Pa，以40～60℃/min的升温速度进行加热，当温度达到1000～1200℃时保温，并开始施加压力，压力为40～60MPa。

4.如权利要求1所述的一种高强度镍铌合金材料，其特征在于：最终所得到的镍铌合金产品的屈服强度为500～600MPa，断裂强度为1200～1300MPa，硬度为450～550HV。