CN104674048A - 一种Pt-Ru基高温合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Pt-Ru基高温合金材料及其制备方法，按照重量百分比的原料包括Pt、Ru、金属元素和稀土元素，金属元素为Re、Al、W、Ta、Nb、Ti、Zr、Cr和Ni中的一种或两种以上，稀土元素为La、Nd、Pr、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ce、Th中的一种或两种以上。本发明材料成本低、加工和使用性能较好，可取代一部份Pt基贵金属高温合金材料，具有很好的工业应用前景，适于产业化应用，耐高温、抗高温氧化损失、性价比优越，通过添加金属元素增强了合金组织中晶界的结合力和改善合金材料的韧性，增强合金与其它金属材料的同质性，改善合金的焊接性能；通过添加稀土元素合金提高了合金的高温持久强度。

Description

一种Pt-Ru基高温合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金材料，具体是一种Pt-Ru基高温合金材料及其制备方法。

背景技术

现代工业和高新技术领域中，耐高温耐腐蚀功能材料具有重要的应用。虽然铁Fe基、镍Ni基、钛Ti基、钴Co基、钼Mo基合金及其金属间化合物等低熔点金属材料得到了很大发展及广泛应用，但没有任何一种低熔点金属能像铂Pt和Pt合金一样能经受高温、高压及强电化学腐蚀等激烈和复杂的环境考验。

Pt熔点高，化学性质稳定，是一种理想的高温材料，但Pt的高温强度较低，抗蠕变性能差。为提高Pt的高温性能，需进行合金化处理。目前，主要是将Pt与铱Ir和铑Rh等高熔点铂族金属元素合金化来提高Pt合金的高温强度、耐高温腐蚀性能和抗电弧侵蚀性能等。Pt-Ir和Pt-Rh合金具有熔点高、耐高温腐蚀性能好和抗电弧侵蚀性能强等优点，在航空工业电器接触点、工业电镀的电极、热电偶、火箭发动机零件及玻璃制造等方面有广泛的应用，特别是作为汽车的火花塞电极，可提高发动机的点火性能、燃油经济性、使用寿命及降低有害物质的排放。

钌Ru是铂族金属元素之一，具有熔点高、比重小和抗腐蚀性强等优点。其价格比Ir和Rh便宜得多。Ru在高温时，具有比Pt和钯Pd更高的抗拉强度。此外，还有早期的文献报道说，Ru与Pt形成的Pt-Ru合金具有较好的电接触特性，如：王维平的高压点火装置接触点材料的应用研究中通过高压点火装置接触点工作寿命试验证明：Pt-Ru10合金比Pt-Ir25合金具有更好的接触点工作性能。

为进一步拓展Pt基高温合金材料的应用和降低Pt基高温合金材料的成本，改变目前铂族金属高温合金材料大都使用价格较高的Pt-Ir和Pt-Rh合金材料的现状，需开发价格相对较低的新型Pt-Ru基高温合金材料。

Ru是高熔点的铂族金属元素，Ru可以与Pt在富Pt和富Ru端形成广阔的合金固溶体，且Ru具有最高的固溶强化和显微结构强化效应。然而，由于Pt-Ru合金存在诸如：加工困难、Ru高温氧化挥发速率高以及合金晶界断裂倾向大等问题，Pt-Ru合金做为高温功能材料的应用至今未见国内外专利和文献的报道。

目前，Pt-Ru合金主要应用于低温燃料电池领域，许多的文献和专利报道碳载Pt-Ru合金纳米催化剂作为低温燃料电池阳极催化剂具有较高的催化活性，如：陈卫祥等人（陈卫祥等，无机化学学报2004，12(20):1167-1170）报道用微波方法合成PtRu/C纳米催化剂，具有较高的甲醇电化学氧化活性。古国榜等人（古国榜等，华南理工大学学报2002，11(30):144-148）以碳黑(VulcanXC72)为载体，将铂钌混合氧化物胶体吸附在碳黑上，然后用氢气还原以制备Pt-Ru/C电催化剂。中国专利CN201080069670.9和CN200510137551.3公开了Pt-Ru合金纳米粒子负载在石墨烯或活性碳表面上作为燃料电池催化剂的制备方法，美国专利US2006/0147788A1也公开Pt-Ru合金燃料电池催化剂的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、加工使用性能好的Pt-Ru基高温合金材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：63.5-98.45%、Ru：1-15%、金属元素：0.5-20%、稀土元素：0.05-1.5%。

作为本发明进一步的方案：所述Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：85%、Ru：4.5%、金属元素：10%、稀土元素：0.5%。

作为本发明进一步的方案：所述金属元素为Re、Al、W、Ta、Nb、Ti、Zr、Cr和Ni中的一种或两种以上。

作为本发明再进一步的方案：所述稀土元素为La、Nd、Pr、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ce、Th中的一种或两种以上。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将各原料混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1650-1800℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持30-50%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1500-1700℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1300-1400℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明材料成本低、加工和使用性能较好，可取代一部份Pt基贵金属高温合金材料，具有很好的工业应用前景，适于产业化应用，耐高温、抗高温氧化损失、性价比优越，通过添加金属元素增强了合金组织中晶界的结合力和改善合金材料的韧性，增强合金与其它金属材料的同质性，改善合金的焊接性能，使金属元素在合金表面偏析，形成金属氧化物钝化膜，提高合金材料的抗高温烧蚀性能；通过添加稀土元素合金提高了合金的高温持久强度；能够应用于航空工业电器接触点、工业电镀的电极、热电偶、火箭发动机零件、玻璃制造、汽车的火花塞、燃气轮点火电极材料及油气点火材料等领域。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的Pt-Ru合金金相显微组织图。

图2为本发明实施例7制备得到的Pt-Ru合金金相显微组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：95%、Ru：5%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt和Ru混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1650℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持30%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1500℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1300℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为31.5μΩ·cm；加工态硬度为210HB；退火态硬度为130HB；加工态抗拉强度为795MPa；退火态抗拉强度为415MPa；加工态延伸率为2%；退火态延伸率为34%。

实施例2

本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：90%、Ru：10%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt和Ru混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1670℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持33%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1530℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1315℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为43μΩ·cm；加工态硬度为280HB；退火态硬度为190HB；加工态抗拉强度为1035MPa；退火态抗拉强度为570MPa；加工态延伸率为2%；退火态延伸率为31%。

实施例3

本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：86%、Ru：14%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt和Ru混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1690℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持35%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1550℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1330℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为46μΩ·cm；退火态硬度为240Hv；加工态延伸率为2%。

实施例4

本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：90.5%、Ru：4.5%、W：5%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt、Ru和W混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1710℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持38%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1580℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1345℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为70.1μΩ·cm；加工态硬度为300HB；退火态硬度为180HB；加工态抗拉强度为2150MPa；退火态抗拉强度为895MPa；加工态延伸率为3%；退火态延伸率为35%。

实施例5

本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：86%、Ru：9%、W：5%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt、Ru和W混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1730℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持40%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1600℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1350℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为66μΩ·cm；加工态硬度为231HB；退火态硬度为158HB；加工态抗拉强度为1565MPa；退火态抗拉强度为825MPa；加工态延伸率为3%；退火态延伸率为47%。

实施例6

本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：82.4%、Ru：12.6%、W：5%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt、Ru和W混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1750℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持43%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1630℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1365℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为83μΩ·cm；加工态硬度为440HB；退火态硬度为230HB；加工态抗拉强度为1369MPa；退火态抗拉强度为1005MPa；加工态延伸率为2%；退火态延伸率为33%。

实施例7

请参阅图2，本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：85%、Ru：4.5%、Ni：10%、Th：0.5%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt、Ru、Ni和Th混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1770℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持45%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1650℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1370℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为66.8μΩ·cm；加工态硬度为185HB；退火态硬度为106HB；加工态抗拉强度为1560MPa；退火态抗拉强度为815MPa；加工态延伸率为5%；退火态延伸率为60%。

实施例8

本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：80.5%、Ru：9%、Ni：10%、Th：0.5%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt、Ru、Ni和Th混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1790℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持48%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1680℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1385℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为50μΩ·cm；加工态硬度为256HB；退火态硬度为178HB；加工态抗拉强度为1780MPa；退火态抗拉强度为910MPa；加工态延伸率为5%；退火态延伸率为55%。

实施例9

本发明实施例中，一种Pt-Ru基高温合金材料，按照重量百分比的原料包括：

Pt：76.9%、Ru：12.6%、Ni：10%、Th：0.5%。

所述Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将Pt、Ru、Ni和Th混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1800℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持50%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1700℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1400℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。

在本实施例的工艺条件下，获得的Pt-Ru合金的物理性能为：电阻率为53μΩ·cm；加工态硬度为360HB；退火态硬度为180HB；加工态抗拉强度为1660MPa；退火态抗拉强度为930MPa；加工态延伸率为3%；退火态延伸率为45%；

本发明还提供一种使用上述Pt-Ru合金材料的内燃机火花塞，所述内燃机火花塞包括中心电极和至少一个侧电极，中心电极和/或侧电极的点火尖端由所述Pt-Ru基合金材料制成，或者内燃机火花塞中心电极和/或侧电极的点火尖端表面喷涂所述的Pt-Ru基合金材料。

本发明还提供所述Pt-Ru合金材料的其它应用，将所述Pt-Ru基合金材料应用于晶体生长的坩埚上、电焊条、热电偶或火箭发动机喷嘴上；或者，将所述Pt-Ru基合金材料应用于化学制品领域或玻璃制造领域。

本发明的Pt-Ru合金材料还可制备成线、管、片、单晶、粉末或其他常见的形状，这些合金也可应用于喷涂。

本发明材料成本低、加工和使用性能较好，可取代一部份Pt基贵金属高温合金材料，具有很好的工业应用前景，适于产业化应用，耐高温、抗高温氧化损失、性价比优越，通过添加金属元素增强了合金组织中晶界的结合力和改善合金材料的韧性，增强合金与其它金属材料的同质性，改善合金的焊接性能，使金属元素在合金表面偏析，形成金属氧化物钝化膜，提高合金材料的抗高温烧蚀性能；通过添加稀土元素合金提高了合金的高温持久强度；能够应用于航空工业电器接触点、工业电镀的电极、热电偶、火箭发动机零件、玻璃制造、汽车的火花塞、燃气轮点火电极材料及油气点火材料等领域。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种Pt-Ru基高温合金材料，其特征在于，按照重量百分比的原料包括：

Pt：63.5-98.45%、Ru：1-15%、金属元素：0.5-20%、稀土元素：0.05-1.5%。

2.根据权利要求1所述的Pt-Ru基高温合金材料，其特征在于，按照重量百分比的原料包括：

Pt：85%、Ru：4.5%、金属元素：10%、稀土元素：0.5%。

3.根据权利要求1-2任一所述的Pt-Ru基高温合金材料，其特征在于，所述金属元素为Re、Al、W、Ta、Nb、Ti、Zr、Cr和Ni中的一种或两种以上。

4.根据权利要求1-2任一所述的Pt-Ru基高温合金材料，其特征在于，所述稀土元素为La、Nd、Pr、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ce、Th中的一种或两种以上。

5.一种采用权利要求1-2任一所述的Pt-Ru基高温合金材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）按照重量百分比称取各原料；

（2）将各原料混合均匀后压实，将压实的混合粉料进行氢气退火和真空烧结处理，在氩气保护下通过电弧或感应熔炼，得到直径为Φ28mm的Pt-Ru合金铸锭；

（3）将合金铸锭在1650-1800℃锻造开坯，开坯时沿加工方向即长度方向保持30-50%的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

（4）将锭坯在1500-1700℃温度下进行热轧，然后采用平辊在1300-1400℃温度下将锭坯轧制成2.0mm厚的片材；

（5）将2.0mm厚的片材在室温下继续轧制成1.0mm厚的片材得到成品。