CN105177385B - 一种Nb‑Si‑Ti‑W‑Hf复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Nb‑Si‑Ti‑W‑Hf复合材料，由以下原子百分比的原料制成：Si 10％～20％，Ti 5％～30％，W 3％～15％，Hf 1％～10％，余量为Nb和不可避免的杂质。另外，本发明还公开了一种制备该Nb‑Si‑Ti‑W‑Hf复合材料的方法，该方法为：一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉球磨混合均匀后烘干，粉碎后得到混合粉料；二、将混合粉料进行放电等离子烧结，得到Nb‑Si‑Ti‑W‑Hf复合材料。本发明Nb‑Si‑Ti‑W‑Hf复合材料在1200℃条件下的抗拉强度为350MPa～500MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为65MPa～85MPa、拉伸延伸率可达67％以上。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料及其制备方法。
背景技术
航空航天动力系统几十年的发展历史证明，动力系统推重比的提高强烈地依赖于工作温度的提高，热端关键部件的工作温度越高，动力系统的性能越好，效率越高，航空动力系统推重比与热端关键部件材料工作温度有很大的关系。高温材料的发展对航空航天动力系统性能的提高做出了极大的贡献。经过几十年的努力镍基超合金的使用温度提高了125℃，其使用温度为1150℃。这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各方面共同发展所作出的共同贡献，进一步提高镍基超合金，即超过第四代镍基超合金单晶的使用温度非常困难，这是因为大多数先进超合金的熔点低于1350℃。由于材料制备方法和随后热处理工艺的不同，其化学成分在超合金的偏聚可能导致其初始熔化温度低于1270℃。同时热障涂层和单晶的相互作用区域的熔化温度可能低于1250℃。因此，即使有限的提高镍基超合金使用温度也存在明显的瓶颈。
Nb具有高熔点(2468℃)和良好的室温塑性及韧性，热膨胀系数与铌硅化合物具相近。另外，Nb-Si系复合材料有宽的Nb5Si3和铌固溶体两相区，可通过共晶和共析反应产生微观组织变化制备复合材料。因此，由韧性较好的铌和铌硅化合物组成的复合材料被认为是最有开发应用前景的超高温结构材料。然而，这些复合材料微观组织由大量金属间化合物相组成硬度很高并且韧性较差，即使在高温下都难以加工成形。目前，真空电弧熔炼-铸造法是制备Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料常用的方法，利用这种方法，所得材料的铸态组织由树枝状的初生铌固溶体和Nb3Si组成。由于Nb3Si处于亚稳平衡态，因此铸态材料常要进行高温长时间的热处理。而且，为了使初生铌固溶体树枝晶孤立细化并消除材料中的铸造缺陷，热处理的材料还要进行热挤压处理，这种方法存在能耗高、周期长等不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为410MPa～520MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为350MPa～500MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为65MPa～85MPa、拉伸延伸率可达67％以上。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si 10％～20％，Ti 5％～30％，W 3％～15％，Hf 1％～10％，余量为Nb和不可避免的杂质。
上述的一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si 13％～17％，Ti 10％～25％，W8％～12％，Hf 3％～7％，余量为Nb和不可避免的杂质。
上述的一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si 17％，Ti 20％，W 12％，Hf 6％，余量为Nb和不可避免的杂质。
另外，本发明还提供了一种制备上述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度不大于1×10-2Pa，温度为1400℃～1500℃，压力为30MPa～60MPa的条件下放电等离子烧结5min～15min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.5～1倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述球磨机的转速为300rpm～400rpm，湿法球磨的球料比为(7～10)：1，球磨时间为40h～50h。
上述的方法，其特征在于，步骤一中所述烘干的温度为80℃～90℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为410MPa～520MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为350MPa～500MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为65MPa～85MPa、拉伸延伸率可达67％以上。
2、本发明采用机械合金化和放电等离子烧结的工艺过程制备Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，具有能耗低、周期短等优点，本发明将钛粉引入到Nb-Si复合材料体系中，降低了复合材料的密度，提高了复合材料的断裂韧性；将钨粉引入到Nb-Si复合材料体系中，提高了复合材料的高温强度，将铪粉引入到Nb-Si复合材料体系中，改善了复合材料的室温断裂韧性，提高复合材料使用的可靠性。
3、本发明制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的微观组织中细小的硅化物强化相分布在连续的铌固溶体(Nbss)相内部，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的室温、高温力学性能达到了良好平衡，由于超塑性是低应力下获得大的均匀延伸，这样可以通过超塑成形复杂零件，为难以加工的Nb-Si系复合材料的加工成形开拓了新的途径，本发明Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料能够在温度为1200℃～1500℃环境条件下使用，并且具有良好的成形性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料由以下原子百分比的原料制成：Si 17％，Ti20％，W 12％，Hf 6％，余量为Nb和不可避免的杂质。
本实施例制备所述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％，所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm；所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积与硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和相等，其中体积的单位为mL，质量的单位为g，所述球磨机为行星式球磨机，优选地，所述球磨机的转速为300rpm，湿法球磨的球料比按质量比计为8：1，球磨时间为45h；所述烘干的温度优选为85℃；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度为1×10- 2Pa，温度为1450℃，压力为50MPa的条件下放电等离子烧结10min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
从图1中可以看出，本实施例制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的微观组织晶界轮廓清晰、晶粒细小，平均晶粒约为1μm且呈等轴状，无明显孔隙和裂纹，组织中细小的硅化物相分布在铌固溶体(Nbss)相中，这种组织使复合材料具有良好的综合力学性能，图1中黑色晶粒为Nb5Si3金属间化合物相，灰色晶粒为Nb3Si金属间化合物相，白色的晶粒为铌固溶体(Nbss)相，亮白色的晶粒为Hf，这种多相组织增大了同相晶粒扩散的距离，在高温下晶粒不易长大，有利于晶界滑移获得大的延伸率，且由于难熔金属W和Hf的固溶强化，使复合材料具有更高的高温强度。
本实施例制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为520MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为500MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为85MPa、拉伸延伸率为210％。
实施例2
本实施例Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料由以下原子百分比的原料制成：Si 10％，Ti5％，W 3％，Hf 1％，余量为Nb和不可避免的杂质。
本实施例制备所述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％，所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm；所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.5倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g，所述球磨机为行星式球磨机，优选地，所述球磨机的转速为400rpm，球料比按质量比计为7：1，球磨时间为50h；所述烘干的温度优选为90℃；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度为1×10- 2Pa，温度为1500℃，压力为60MPa的条件下放电等离子烧结5min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
本实施例制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的微观组织晶界轮廓清晰、晶粒细小均匀且呈等轴状，无明显孔隙和裂纹，组织中细小的硅化物相分布在铌固溶体(Nbss)相中，这种组织使复合材料具有良好的综合力学性能，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为435MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为350MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为65MPa、拉伸延伸率为67％。
实施例3
本实施例Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料由以下原子百分比的原料制成：Si 20％，Ti30％，W 15％，Hf 10％，余量为Nb和不可避免的杂质。
本实施例制备所述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％，所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm；所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.8倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g，所述球磨机为行星式球磨机，优选地，所述球磨机的转速为320rpm，球料比按质量比计为8：1，球磨时间为45h；所述烘干的温度优选为85℃；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度为1×10- 2Pa，温度为1450℃，压力为50MPa的条件下放电等离子烧结5min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
本实施例制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的微观组织晶界轮廓清晰、晶粒细小均匀且呈等轴状，无明显孔隙和裂纹，组织中细小的硅化物相分布在铌固溶体(Nbss)相中，这种组织使复合材料具有良好的综合力学性能，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为410MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为365MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为75MPa、拉伸延伸率为107％。
实施例4
本实施例Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料由以下原子百分比的原料制成：Si 13％，Ti10％，W 8％，Hf 3％，余量为Nb和不可避免的杂质。
本实施例制备所述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％，所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm；所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.6倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g，所述球磨机为行星式球磨机，优选地，所述球磨机的转速为300rpm，球料比按质量比计为10：1，球磨时间为40h；所述烘干的温度优选为80℃；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度为1×10- 2Pa，温度为1400℃，压力为55MPa的条件下放电等离子烧结12min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
本实施例制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的微观组织晶界轮廓清晰、晶粒细小均匀且呈等轴状，无明显孔隙和裂纹，组织中细小的硅化物相分布在铌固溶体(Nbss)相中，这种组织使复合材料具有良好的综合力学性能，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为465MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为432MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为71MPa、拉伸延伸率为73％。
实施例5
本实施例Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料由以下原子百分比的原料制成：Si 17％，Ti25％，W 12％，Hf 7％，余量为Nb和不可避免的杂质。
本实施例制备所述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％，所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm；所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.6倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g，所述球磨机为行星式球磨机，优选地，所述球磨机的转速为380rpm，球料比按质量比计为9：1，球磨时间为45h；所述烘干的温度优选为90℃；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度为1×10- 2Pa，温度为1500℃，压力为30MPa的条件下放电等离子烧结15min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
本实施例制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的微观组织晶界轮廓清晰、晶粒细小均匀且呈等轴状，无明显孔隙和裂纹，组织中细小的硅化物相分布在铌固溶体(Nbss)相中，这种组织使复合材料具有良好的综合力学性能，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为500MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为490MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为73MPa、拉伸延伸率为180％。
实施例6
本实施例Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料由以下原子百分比的原料制成：Si 15％，Ti18％，W 9％，Hf 5％，余量为Nb和不可避免的杂质。
本实施例制备所述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％，所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm；所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.9倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g，所述球磨机为行星式球磨机，优选地，所述球磨机的转速为340rpm，球料比按质量比计为8：1，球磨时间为48h；所述烘干的温度优选为85℃；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度为1×10- 2Pa，温度为1430℃，压力为48MPa的条件下放电等离子烧结8min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
本实施例制备的Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的微观组织晶界轮廓清晰、晶粒细小均匀且呈等轴状，无明显孔隙和裂纹，组织中细小的硅化物相分布在铌固溶体(Nbss)相中，这种组织使复合材料具有良好的综合力学性能，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为475MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为498MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为83MPa、拉伸延伸率为201％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si 13％～17％，Ti 10％～25％，W 8％～12％，Hf 3％～7％，余量为Nb和不可避免的杂质；
制备该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法为：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度不大于1×10- 2Pa，温度为1400℃～1500℃，压力为30MPa～60MPa的条件下放电等离子烧结5min～15min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
2.按照权利要求1所述的一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si 17％，Ti 20％，W 12％，Hf 6％，余量为Nb和不可避免的杂质。
3.一种制备如权利要求1～2中任一权利要求所述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；
步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度不大于1×10- 2Pa，温度为1400℃～1500℃，压力为30MPa～60MPa的条件下放电等离子烧结5min～15min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm。
6.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.5～1倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g。
7.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述球磨机的转速为300rpm～400rpm，湿法球磨的球料比为(7～10)：1，球磨时间为40h～50h。
8.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述烘干的温度为80℃～90℃。
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