CN104480387B - 高韧性Laves相NbFe2基高温结构材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料，其成分范围为3.2‑27at%的Nb和余量的Fe。通过在Laves相NbFe₂中加入过量的Fe，同时控制电弧熔炼条件，在Laves相NbFe₂中引入韧性金属相，显著地改善了Laves相NbFe₂的室温脆性。本发明制备出的Laves相NbFe₂基复合材料为Laves相NbFe₂和Fe相组成的两相结构，该合金表现出优异的抗压性能和良好的韧性，其压缩断裂强度可达1.65GPa，屈服强度可达1.12 GPa，压缩应变延伸率可达30%。

Description

高韧性 Laves 相 NbFe 2 基高温结构材料及其制备方法

技术领域

本发明为一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料及其制备方法，该高温结构材料中存在有Laves相NbFe₂和Fe相。

背景技术

随着航空航天技术的不断发展，对其所用的材料提出了更为苛刻的要求，如要求材料能够承受更高的温度，具有优异的高温抗氧化能力和高温比强度，良好的韧性和加工性，对于新一代大推重比的航空发动机，其涡轮喷气发动机的涡轮前进口温度更是高达1900K，这就要求叶片材料本身的耐温能力要达到1400-1600℃，然而，目前广泛用作航空发动机高温结构材料的镍基高温合金的使用温度已达到1100℃，接近其熔点的80-90%，继续提高其使用温度的空间已经很小。如要发展更高耐温材料，必须寻找新的合金体系，特别是具有低比重、高熔点及优异力学性能，同时兼有优良的高温抗氧化性的材料，这对发展我国航空航天事业有着重大的现实意义和理论价值。

目前使用温度比镍基高温合金高的材料主要有金属间化合物和陶瓷材料这两大类。考虑到利用现有合金装备和快速成形技术，金属间化合物有一定优势。另外，金属间化合物具有密度小、耐高温、耐磨损等优良特性，且同时兼有金属键和共价键，能复合金属和陶瓷材料的某些独特性能，从而有可能发展成为新型的先进高温结构材料。

在金属间化合物中有很大一部分属于拓扑密排Laves相，文献中报道的二元Laves相的种类多达360多种，加上三元Laves相后，Laves相的种类超过了900多种，这为发展新型的先进高温结构材料提供了相当大的选材空间。如倍受关注的Laves相NbFe₂，熔点高达1627℃，具有优异的蠕变抗力，良好的高温抗氧化性和优异的抗热腐蚀性，使用温度可望超过1200℃。与目前Ni基高温合金使用温度相比，有近100℃的提高空间，如此大的提升空间对高温材料来说是非常困难的，因为在Ni基单晶高温合金发展历程中，从第1代发展到第4代，每1代的使用温度提高的空间也只有30℃左右，却要花费数十年的时间进行研制。此外，在奥氏体耐热钢中引入NbFe₂可以提高其高温强度和蠕变抗力。因此，NbFe₂作为高温结构材料具有很大的应用潜力，引起了国内外研究学者的广泛关注。

Laves 相NbFe₂金属间化合物具有作为高温结构材料的应用潜力，但低的室温延展性仍然阻碍其进入工业化应用，因此必须采取措施来改进其室温塑性和韧性。在Laves相NbFe₂中引入韧性金属相是解决该材料室温脆性问题的有效途径之一，通过引入韧性Fe相可以与Laves相NbFe₂形成细小的共晶组织，细小共晶片层和塑性良好的金属Fe相能很好地阻止裂纹在Laves相NbFe₂中扩展，直观的表现为裂纹桥接、裂纹偏转和裂纹钝化，从而达到提高Laves相NbFe₂室温断裂韧性的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料及其制备方法，通过在Laves相NbFe₂中加入过量的Fe，同时控制电弧熔炼条件，在Laves相NbFe₂中引入韧性金属相，来改善了Laves相NbFe₂的室温脆性。以此开发出新型的使用温度可望超过1150℃的金属间化合物基高温结构材料，满足新一代燃气涡轮机及航空发动机用材料需达到1150℃的承温要求。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料，所述的高温结构材料由纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁组成，成分范围为3.2-27at%的铌和余量的铁。

该高温结构材料的制备方法为：将按Fe_73-96.8Nb_3.2-27成分称取纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁，放入非自耗真空电弧炉中的水冷铜坩埚内，真空度为2×10^-3-6×10^-3Pa，翻转重熔4-5次，每次熔炼时间3-5min。

进一步地，所述的高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料，优选Fe-6at%Nb和Fe-10at%Nb。Fe-6at%Nb的成分范围为6at%的铌和余量的铁，Fe-10at%Nb的成分范围为10at%的铌和余量的铁。Fe-6at%Nb和Fe-10at%Nb中都存在有Fe相和NbFe₂相，其中，Fe-6at%Nb为初生Fe相和Fe/NbFe₂共晶组成；Fe-10at%Nb为初生NbFe₂相和Fe/NbFe₂共晶组成。

本发明高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料的优点在于：

1）添加适量的Fe元素，可以在Laves相NbFe₂中引入韧性的Fe金属相，对Laves相NbFe₂进行增韧，来改善Laves相NbFe₂的室温脆性；

2）引入的金属Fe相能够以初生相和共晶相两种方式存在，利用进一步提高合金的室温脆性，以此形成具有较好综合性能的新型结构金属间化合物；

3）高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料由NbFe₂相和Fe相组成，便于通过调控凝固组织来进一步改善Laves相NbFe₂的室温脆性。

4）添加Fe元素后的NbFe₂/Fe双相合金的室温压缩断裂强度达到了1.65GPa，屈服强度可达1.12GPa，压缩应变延伸率可达30%。

附图说明

图1是真空非自耗电弧熔炼过程示意图。

图2是电弧熔炼Fe-6at%Nb合金的XRD衍射图。

图3是电弧熔炼Fe-6at%Nb合金的微观组织扫描电镜图。

图4是电弧熔炼Fe-6at%Nb合金的压缩曲线图。

图5是电弧熔炼Fe-10at%Nb合金的XRD衍射图。

图6是电弧熔炼Fe-10at%Nb合金的微观组织扫描电镜图。

图7是电弧熔炼Fe-10at%Nb合金的压缩曲线图。

图1中：1-水冷铜坩埚、2-试样、3-电弧、4-钨极。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性和显著地进步，但本发明绝非仅局限于实施例：

一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料，所述的高温结构材料由纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁组成，成分范围为3.2-27at%的铌和余量的铁。

本发明的高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料采用非自耗真空电弧熔炼法进行制备，熔炼过程如图1所示，图1中1为水冷铜坩埚、2为试样、3为电弧、4为钨极。按Fe_73-96.8Nb_3.2-27成分称取纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁进行配料，配料前先将打磨干净的原材料用3mL HF+30mL HNO₃+70mLH₂O的溶液除去表面氧化物和污垢，再用丙酮清洗吹干，然后，按需要配制所需要的铌组分和铁组分，具体实施时，考虑到高温下铁会发生烧损挥发，配料时每50g多加入0.05g的铁。

由于本发明的原料成分为原子百分比，因此在配料时需要将其换算成质量百分比，换算公式如下：，式中W _i为各元素的质量百分比，A _i为各元素的原子百分比，Z _i为各元素的原子量。

熔炼时将原材料按熔点由低到高的顺序依次放入水冷铜坩埚内，在中间的坩埚中放入一定量的Ti粒，装料后当真空达到2×10^-3-6×10^-3Pa时，充入纯度为99.9%的氩气，熔炼试样前先将放置好的钛粒熔化以除去炉室中残余氧气。为了保证合金成分的均匀，将试样翻转重熔4-5次，熔炼过程中施加电磁搅拌，每次熔炼时间3～5min，最后得到表面光洁，没有宏观缺陷的纽扣锭，每个纽扣锭重约50-70g，直径约为30mm。

对制备得到的合金锭进行微观组织和力学性能分析测试：

1）采用线切割在电弧熔炼试样的中心位置切出3mm×3mm×3mm的正方体，用砂纸磨平用于相组成测试，然后用牙托粉镶嵌，用金刚石研磨膏对试样抛光。用Kroll腐蚀液腐蚀约8-12s，试样腐蚀后用清水冲洗，然后在超声波中用酒精清洗，吹干，然后在JSM6390A电子显微镜（SEM）上进行组织观察。

2）采用线切割方法切取直径为4mm，长度为5mm的圆柱体，在Instron 1195型万能电子试验机上进行室温压缩实验，压头移动速率为0.1 mm/min。

进一步的，所述的高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料，优选Fe-6at%Nb和Fe-10at%Nb。Fe-6at%Nb的成分范围为6at%的铌和余量的铁，Fe-10at%Nb的成分范围为10at%的铌和余量的铁。Fe-6at%Nb和Fe-10at%Nb中都存在有Fe相和NbFe₂相，其中，Fe-6at%Nb为初生Fe相和Fe/NbFe₂共晶组成；Fe-10at%Nb为初生NbFe₂相和Fe/NbFe₂共晶组成。

实施例1：

制备Fe-6at%Nb高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料：

按照成分为Fe-6at%Nb进行配料，其所用Nb的纯度为99.95%，Fe的纯度为99.5%。

采用真空非自耗电弧炉熔炼Fe-6at%Nb合金铸锭，真空度为5×10^-3Pa，翻转重熔5次，每次熔炼时间3min。

采用线切割方法从Fe-6at%Nb合金铸锭上切取3mm×3mm×3mm的正方体，用砂纸磨平用于相组成测试，Fe-6at.%Nb合金的XRD谱如图2所示，测试结果表明，该合金由Laves相NbFe₂和Fe相两相组成。

将线切割出来的3mm×3mm×3mm的正方体用牙托粉镶嵌，用砂纸磨平，然后用金刚石研磨膏对试样抛光。用Kroll腐蚀液腐蚀约8-12s，试样腐蚀后用清水冲洗，然后在超声波中用酒精清洗，吹干，然后在JSM6390A电子显微镜（SEM）上进行组织观察。Fe-6at%Nb合金的SEM如图3所示，可以看到合金由初生Fe枝晶和枝晶间NbFe₂/Fe层片状共晶组成。

采用Instron 1195型万能电子试验机进行室温压缩实验，压头移动速率为0.1mm/min，压缩曲线如图4所示，可以看到Fe-6at%Nb的压缩断裂强度为1.27GPa，屈服强度为0.66GPa，压缩应变延伸率为30%。

实施例2：

制备Fe-10at%Nb高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料：

按照成分为Fe-10at%Nb进行配料，其所用Nb的纯度为99.95%，Fe的纯度为99.5%。

采用真空非自耗电弧炉熔炼Fe-10at%Nb合金铸锭，真空度为6×10^-3Pa，翻转重熔4次，每次熔炼时间5min。

采用线切割方法从Fe-10at.%Nb合金铸锭上切取3mm×3mm×3mm的正方体，用砂纸磨平用于相组成测试，Fe-10at%Nb合金的XRD谱如图5所示，测试结果表明，该合金由Laves相NbFe₂和Fe相两相组成。

将线切割出来的3mm×3mm×3mm的正方体用牙托粉镶嵌，用砂纸磨平，然后用金刚石研磨膏对试样抛光。用Kroll腐蚀液腐蚀约8-12s，试样腐蚀后用清水冲洗，然后在超声波中用酒精清洗，吹干，然后在JSM6390A电子显微镜（SEM）上进行组织观察。Fe-10at%Nb合金的SEM如图6所示，可以看到合金由初生NbFe₂枝晶和枝晶间NbFe₂/Fe层片状共晶组成。

采用Instron 1195型万能电子试验机进行室温压缩实验，压头移动速率为0.1 mm/min，压缩曲线如图7所示，可以看到Fe-10at%Nb的压缩断裂强度为1.65GPa，屈服强度为1.12GPa，压缩应变延伸率为24%。

实施例3：

制备Fe-3.2at%Nb高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料：

按照成分为Fe-3.2at%Nb进行配料，其所用Nb的纯度为99.95%，Fe的纯度为99.5%。

采用真空非自耗电弧炉熔炼Fe-3.2at%Nb合金铸锭，真空度为2×10^-3Pa，翻转重熔4次，每次熔炼时间3min。

实施例4：

制备Fe-15at%Nb高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料：

按照成分为Fe-15at%Nb进行配料，其所用Nb的纯度为99.95%，Fe的纯度为99.5%。

采用真空非自耗电弧炉熔炼Fe-15at%Nb合金铸锭，真空度为4×10^-3Pa，翻转重熔5次，每次熔炼时间4min。

实施例5：

制备Fe-27at%Nb高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料：

按照成分为Fe-27at%Nb进行配料，其所用Nb的纯度为99.95%，Fe的纯度为99.5%。

采用真空非自耗电弧炉熔炼Fe-27at%Nb合金铸锭，真空度为3×10^-3Pa，翻转重熔4次，每次熔炼时间3min。

实施例6：

制备Fe-20at%Nb高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料：

按照成分为Fe-20at%Nb进行配料，其所用Nb的纯度为99.95%，Fe的纯度为99.5%。

采用真空非自耗电弧炉熔炼Fe-20at.%Nb合金铸锭，真空度为6×10^-3Pa，翻转重熔5次，每次熔炼时间4min。

Claims (2)

1.一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料，其特征在于：所述的高温结构材料由纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁组成；其成分范围为6at%的铌和余量的铁，由初生Fe相和Fe/NbFe₂共晶组成；或者，其成分范围为10at%的铌和余量的铁，由初生NbFe₂相和Fe/NbFe₂共晶组成。

2.一种制备如权利要求1所述的高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料的方法，其特征在于：将按Fe₉₄Nb₆成分称取纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁，或者，将按Fe₉₀Nb₁₀成分称取纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁，放入非自耗真空电弧炉中的水冷铜坩埚内，真空度为2×10^-3～6×10^-3Pa，翻转重熔4-5次，每次熔炼时间3～5min。