CN106702215A - 一种航空用超耐热纳米合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空用超耐热纳米合金及其制备方法，原料为：镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛、铌、铁、铝、钽、钴、碳、铅和三氧化二硼；产品强韧，疲劳寿命高，弹性模量200‑220GPa；耐磨性和弹性优良，抗拉强度1800‑2000MPa，断面收缩率22‑26%；内部缺陷小，杂质含量低，硬度460‑500HB，屈服强度1000‑1200MPa；延伸率24‑28%，可以在各种极端环境下广泛使用，在高温环境下长期工作不易疲劳，可以广泛生产并不断代替现有材料。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种航空用超耐热纳米合金及其制备方法。
背景技术
在航空制造发展的过程中，材料的更新换代呈现出高速的更迭变换，材料和飞机一直在相互推动下不断发展。“一代材料，一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照。
预计全球客机数量年均增长率为3.6%，到2029年，全球客机数量将近35000架。未来几年中国飞机制造行业对航空材料的需求将迅速增长。根据中国航空工业第一集团公司预测，到2025年，国内航空运输飞机拥有量将达到3900架，其中大型客机将达2000架。这将使中国成为仅次于美国的全球第二大航空市场。
耐热合金合金又称高温合金，它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义。
未来20年，亚太地区将继续在全球空运市场中占主导地位，亚太地区航空公司运营的专用货机机队将增长4倍，达到1056架的规模。另外在发展太空探索科技领域，对航空材料的需求也在增加。
合金，是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。
合金的生成常会改善元素单质的性质，例如，钢的强度大于其主要组成元素镍。合金的物理性质，例如密度、反应性、杨氏模量、导电性和导热性可能与合金的组成元素尚有类似之处，但是合金的抗拉强度和抗剪强度却通常与组成元素的性质有很大不同。这是由于合金与单质中的原子排列有很大差异。
少量的某种元素可能会对合金的性质造成很大的影响。不同于纯净金属的是，多数合金没有固定的熔点，温度处在熔化温度范围间时，混合物为固液并存状态。因此可以说，合金的熔点比组分金属低。
钢镍是镍与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe外，C的含量对钢镍的机械性能起着主要作用，故统称为镍碳合金。它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。
一般说，金属材料的熔点越高，其可使用的温度限度越高。这是因为随着温度的升高，金属材料的机械性能显著下降，氧化腐蚀的趋势相应增大，因此，一般的金属材料都只能在500 ℃～600 ℃下长期工作。能在高于700 ℃的高温下工作的金属通称耐热合金。“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。
镍钴合金能耐1 200 ℃的高温，可用于喷气飞机和燃气轮机的构件。镍钴铁非磁性耐热合金在1 200 ℃时仍具有高强度、韧性好的特点，可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒等。寻找符合耐高温、可长时间运行（10 000 h以上）、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料，仍是今后研究的方向。
随着社会的发展，航空材料应用的越来越广泛，随之带来的是航空合金材料的短缺，和合金材料强度低、抗拉强度低和延伸率低等问题的彰显，设计一种高强度的航空合金材料是非常必要的。
发明内容
本发明提供一种航空用超耐热纳米合金及其制备方法，解决现有合金材料强度低、耐热温度低、延伸率低和硬度低等技术问题。
本发明采用以下技术方案：一种航空用超耐热纳米合金，其原料按质量份数配比如下：镍100份，硼15-35份，纳米二氧化硅1-5份，萤石粉5-25份，钼4.5-8.5份，纳米二氧化钛1.5-5.5份，铌为30-70份，铁0.01-0.05份，铝1.5-3.5份，钽0.01-0.2份，钴65-85份，碳0.01-0.025份，铅0.01-0.03份，三氧化二硼1-15份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼15份，纳米二氧化硅1份，萤石粉5份，钼4.5份，纳米二氧化钛1.5份，铌为30份，铁0.01份，铝1.5份，钽0.01份，钴65份，碳0.01份，铅0.01份，三氧化二硼1份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼35份，纳米二氧化硅5份，萤石粉25份，钼8.5份，纳米二氧化钛5.5份，铌为70份，铁0.05份，铝3.5份，钽0.2份，钴85份，碳0.025份，铅0.03份，三氧化二硼15份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼20份，纳米二氧化硅2份，萤石粉10份，钼5.5份，纳米二氧化钛2.5份，铌为40份，铁0.02份，铝2份，钽0.05份，钴70份，碳0.015份，铅0.015份，三氧化二硼5份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼30份，纳米二氧化硅4份，萤石粉20份，钼7.5份，纳米二氧化钛4.5份，铌为60份，铁0.04份，铝3份，钽0.15份，钴80份，碳0.02份，铅0.025份，三氧化二硼10份。
作为本发明的一种优选技术方案：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼25份，纳米二氧化硅3份，萤石粉15份，钼6.5份，纳米二氧化钛3.5份，铌为50份，铁0.03份，铝2.5份，钽0.1份，钴75份，碳0.018份，铅0.02份，三氧化二硼8份。
一种制备所述的航空用超耐热纳米合金的方法，步骤为：
第一步：按照质量份数配比称取镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛、铌、铁、铝、钽、钴、碳、铅和三氧化二硼；
第二步：将镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛和三氧化二硼投入熔炼炉中，升温至1400-1600℃，熔炼后保温1-3h；
第三步：加入剩余原料，升温至1550-1750℃，熔炼后保温2-4h，冷却至1050-1250℃，冷却20-40h；
第四步：将合金液体浇注至模具当中，待成型之后取下模具将材料放置到厢式退火炉中进行回火，然后加工成产品。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步的熔炼压力为0.5-20Pa，熔炼时间15-35min。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步的熔炼压力为2-20Pa，熔炼25-45min。
作为本发明的一种优选技术方案：所述第四步回火温度为950-1050℃，时间为1-3h。
有益效果
本发明所述一种航空用超耐热纳米合金及其制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、产品强韧，疲劳寿命高，弹性模量200-220GPa；2、耐磨性和弹性优良，抗拉强度1800-2000MPa，断面收缩率22-26%；3、内部缺陷小，杂质含量低，硬度460-500HB，屈服强度1000-1200MPa；4、延伸率24-28%，可以在各种极端环境下广泛使用，在高温环境下长期工作不易疲劳，可以广泛生产并不断代替现有材料。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步的描述，实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他替代手段，均在本发明权利要求范围内。
实施例1：
第一步：按照质量份数配比称取镍100份，硼15份，纳米二氧化硅1份，萤石粉5份，钼4.5份，纳米二氧化钛1.5份，铌为30份，铁0.01份，铝1.5份，钽0.01份，钴65份，碳0.01份，铅0.01份，三氧化二硼1份。
第二步：将镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛和三氧化二硼投入熔炼炉中，升温至1400℃，熔炼压力为0.5Pa，熔炼时间15min，熔炼后保温1h。
第三步：加入剩余原料，升温至1550℃，熔炼压力为2Pa，熔炼25min，熔炼后保温2h，冷却至1050℃，冷却20h，将合金液体浇注至模具当中，待成型之后取下模具将材料放置到厢式退火炉中进行回火，回火温度为950℃，时间为1h，然后加工成产品。
产品强韧，疲劳寿命高，弹性模量200GPa；耐磨性和弹性优良，抗拉强度1800MPa，断面收缩率22%；内部缺陷小，杂质含量低，硬度460HB，屈服强度1000MPa；延伸率24%，可以在各种极端环境下广泛使用，在高温环境下长期工作不易疲劳，可以广泛生产并不断代替现有材料。
实施例2：
第一步：按照质量份数配比称取镍100份，硼35份，纳米二氧化硅5份，萤石粉25份，钼8.5份，纳米二氧化钛5.5份，铌为70份，铁0.05份，铝3.5份，钽0.2份，钴85份，碳0.025份，铅0.03份，三氧化二硼15份。
第二步：将镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛和三氧化二硼投入熔炼炉中，升温至1600℃，熔炼压力为20Pa，熔炼时间35min，熔炼后保温3h。
第三步：加入剩余原料，升温至1750℃，熔炼压力为20Pa，熔炼45min，熔炼后保温4h，冷却至1250℃，冷却40h，将合金液体浇注至模具当中，待成型之后取下模具将材料放置到厢式退火炉中进行回火，回火温度为1050℃，时间为3h，然后加工成产品。
产品强韧，疲劳寿命高，弹性模量205GPa；耐磨性和弹性优良，抗拉强度1850MPa，断面收缩率23%；内部缺陷小，杂质含量低，硬度470HB，屈服强度1050MPa；延伸率25%，可以在各种极端环境下广泛使用，在高温环境下长期工作不易疲劳，可以广泛生产并不断代替现有材料。
实施例3：
第一步：按照质量份数配比称取镍100份，硼20份，纳米二氧化硅2份，萤石粉10份，钼5.5份，纳米二氧化钛2.5份，铌为40份，铁0.02份，铝2份，钽0.05份，钴70份，碳0.015份，铅0.015份，三氧化二硼5份。
第二步：将镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛和三氧化二硼投入熔炼炉中，升温至1600℃，熔炼压力为20Pa，熔炼时间35min，熔炼后保温3h。
第三步：加入剩余原料，升温至1750℃，熔炼压力为20Pa，熔炼45min，熔炼后保温4h，冷却至1250℃，冷却40h，将合金液体浇注至模具当中，待成型之后取下模具将材料放置到厢式退火炉中进行回火，回火温度为1050℃，时间为3h，然后加工成产品。
产品强韧，疲劳寿命高，弹性模量210GPa；耐磨性和弹性优良，抗拉强度1900MPa，断面收缩率24%；内部缺陷小，杂质含量低，硬度480HB，屈服强度1100MPa；延伸率26%，可以在各种极端环境下广泛使用，在高温环境下长期工作不易疲劳，可以广泛生产并不断代替现有材料。
实施例4：
第一步：按照质量份数配比称取镍100份，硼30份，纳米二氧化硅4份，萤石粉20份，钼7.5份，纳米二氧化钛4.5份，铌为60份，铁0.04份，铝3份，钽0.15份，钴80份，碳0.02份，铅0.025份，三氧化二硼10份。
第二步：将镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛和三氧化二硼投入熔炼炉中，升温至1400℃，熔炼压力为0.5Pa，熔炼时间15min，熔炼后保温1h。
第三步：加入剩余原料，升温至1550℃，熔炼压力为2Pa，熔炼25min，熔炼后保温2h，冷却至1050℃，冷却20h，将合金液体浇注至模具当中，待成型之后取下模具将材料放置到厢式退火炉中进行回火，回火温度为950℃，时间为1h，然后加工成产品。
产品强韧，疲劳寿命高，弹性模量215GPa；耐磨性和弹性优良，抗拉强度1950MPa，断面收缩率25%；内部缺陷小，杂质含量低，硬度490HB，屈服强度1150MPa；延伸率27%，可以在各种极端环境下广泛使用，在高温环境下长期工作不易疲劳，可以广泛生产并不断代替现有材料。
实施例5：
第一步：按照质量份数配比称取镍100份，硼25份，纳米二氧化硅3份，萤石粉15份，钼6.5份，纳米二氧化钛3.5份，铌为50份，铁0.03份，铝2.5份，钽0.1份，钴75份，碳0.018份，铅0.02份，三氧化二硼8份。
第二步：将镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛和三氧化二硼投入熔炼炉中，升温至1500℃，熔炼压力为10Pa，熔炼时间25min，熔炼后保温2h。
第三步：加入剩余原料，升温至1650℃，熔炼压力为11Pa，熔炼35min，熔炼后保温3h，冷却至1150℃，冷却30h，将合金液体浇注至模具当中，待成型之后取下模具将材料放置到厢式退火炉中进行回火，回火温度为1000℃，时间为2h，然后加工成产品。
产品强韧，疲劳寿命高，弹性模量220GPa；耐磨性和弹性优良，抗拉强度2000MPa，断面收缩率26%；内部缺陷小，杂质含量低，硬度500HB，屈服强度1200MPa；延伸率28%，可以在各种极端环境下广泛使用，在高温环境下长期工作不易疲劳，可以广泛生产并不断代替现有材料。
Claims (10)
1.一种航空用超耐热纳米合金，其特征在于，所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼15-35份，纳米二氧化硅1-5份，萤石粉5-25份，钼4.5-8.5份，纳米二氧化钛1.5-5.5份，铌为30-70份，铁0.01-0.05份，铝1.5-3.5份，钽0.01-0.2份，钴65-85份，碳0.01-0.025份，铅0.01-0.03份，三氧化二硼1-15份。
2.根据权利要求1所述的一种航空用超耐热纳米合金，其特征在于，所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼15份，纳米二氧化硅1份，萤石粉5份，钼4.5份，纳米二氧化钛1.5份，铌为30份，铁0.01份，铝1.5份，钽0.01份，钴65份，碳0.01份，铅0.01份，三氧化二硼1份。
3.根据权利要求1所述的一种航空用超耐热纳米合金，其特征在于：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼35份，纳米二氧化硅5份，萤石粉25份，钼8.5份，纳米二氧化钛5.5份，铌为70份，铁0.05份，铝3.5份，钽0.2份，钴85份，碳0.025份，铅0.03份，三氧化二硼15份。
4.根据权利要求1所述的一种航空用超耐热纳米合金，其特征在于：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼20份，纳米二氧化硅2份，萤石粉10份，钼5.5份，纳米二氧化钛2.5份，铌为40份，铁0.02份，铝2份，钽0.05份，钴70份，碳0.015份，铅0.015份，三氧化二硼5份。
5.根据权利要求1所述的一种航空用超耐热纳米合金，其特征在于：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼30份，纳米二氧化硅4份，萤石粉20份，钼7.5份，纳米二氧化钛4.5份，铌为60份，铁0.04份，铝3份，钽0.15份，钴80份，碳0.02份，铅0.025份，三氧化二硼10份。
6.根据权利要求1所述的一种航空用超耐热纳米合金，其特征在于：所述航空用超耐热纳米合金的原料按质量份数配比如下：镍100份，硼25份，纳米二氧化硅3份，萤石粉15份，钼6.5份，纳米二氧化钛3.5份，铌为50份，铁0.03份，铝2.5份，钽0.1份，钴75份，碳0.018份，铅0.02份，三氧化二硼8份。
7.一种制备权利要求1所述的航空用超耐热纳米合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：按照质量份数配比称取镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛、铌、铁、铝、钴、碳、铅和三氧化二硼；
第二步：将镍、硼、纳米二氧化硅、萤石粉、钼、纳米二氧化钛和三氧化二硼投入熔炼炉中，升温至1400-1600℃，熔炼后保温1-3h；
第三步：加入剩余原料，升温至1550-1750℃，熔炼后保温2-4h，冷却至1050-1250℃，冷却20-40h；
第四步：将合金液体浇注至模具当中，待成型之后取下模具将材料放置到厢式退火炉中进行回火，然后加工成产品。
8.根据权利要求7所述的航空用超耐热纳米合金的方法，其特征在于：所述第二步的熔炼压力为0.5-20Pa，熔炼时间15-35min。
9.根据权利要求7所述的航空用超耐热纳米合金的方法，其特征在于：所述第三步的熔炼压力为2-20Pa，熔炼25-45min。
10.根据权利要求7所述的航空用超耐热纳米合金的方法，其特征在于：所述第四步回火温度为950-1050℃，时间为1-3h。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170524 |