CN111020273B

CN111020273B - 抗高温变形的高强度铂族金属材料和制备方法

Info

Publication number: CN111020273B
Application number: CN201911157234.6A
Authority: CN
Inventors: 唐会毅; 吴保安; 罗维凡; 罗凤兰; 李凤; 肖雨辰; 万伟建
Original assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2039-11-22
Also published as: CN111020273A

Abstract

本发明涉及一种抗高温变形的高强度铂族金属材料和制备方法，该材料由铂族金属和强化相组成，该强化相为弥散分布在铂族金属中氧化锆、氧化钇、碳化钛颗粒中的任一种和几种，所述材料各组分重量百分含量为强化相>0～≤0.4wt%，铂族金属为余量。该材料在高温下尤其是1400℃及以上的高温条件下特定环境下具有高强度及优异的抵抗变形、耐电烧蚀、抗冲刷、抗腐蚀和高温抗蠕变性能，采用这种材料制备的组件抵抗高温变形性能好，使用寿命长，能有效降低应用领域生产成本。

Description

抗高温变形的高强度铂族金属材料和制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种抗高温变形的高强度铂族金属材料和制备方法。

背景技术

工业领域需要广泛用到能承受高温（尤其是1400℃以上）抵抗变形、耐电烧蚀、抗冲刷、耐腐蚀等苛刻环境的金属材料。铂族金属材料因其熔点高、抗氧化、耐腐蚀等优异性能而得到大量使用。铂族金属材料是一种极具优势的高温金属材料，但是高温力学性能差。现有技术在铂族金属基体中通过固溶强化以及第二相粒子内氧化强化手段，使其高温力学性能得到一定的提高，但由于受制于合金固溶的均匀性程度、内氧化深度等不足，使得材料高温力学性能改善不足。随着工业的进步，对于材料的要求也越来越苛刻，现有技术制备的铂族金属材料在高温环境尤其是1400℃以上的高温条件下特定环境的抗变形、耐电烧蚀、抗冲刷、抗腐蚀性能无法满足预期要求，使得采用这些材料制备的组件在高温条件易蠕变变形，使用寿命短。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗高温变形的高强度铂族金属材料和制备方法，该材料在高温环境尤其是1400℃以上条件下特定环境下具有高强度及优异的抵抗变形、抗冲刷、抗腐蚀和高温抗蠕变性能，采用这种材料制备的组件抵抗高温变形性能好，使用寿命长，能有效降低应用领域生产成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

抗高温变形的高强度铂族金属材料，该材料由铂族金属和强化相组成，该强化相为弥散分布在铂族金属中氧化锆、氧化钇、碳化钛颗粒中的任一种和几种，所述材料各组分重量百分含量为，强化相>0～≤0.4wt%，铂族金属为余量。

所述铂族金属为铂、铑或/和铱，其中铑和铱的重量百分含量为，铑：1～30wt%；铱：0～10wt%。

所述强化相各组分的重量百分含量为：ZrO₂＞0～0.3wt%；Y₂O₃＞0～0.2wt%；TiC＞0～0.2wt%。

所述强化相颗粒粒径均＞0～≤0.1μm。

上述的用作抵抗高温变形的高强度铂族金属材料的制备方法，有以下步骤：

1）配料

按上述金属材料的各组分配料；

2）造液

强氧化酸溶液溶解铂族金属原料，加入0.5-0.8倍的铂族金属重量的固体氯化钠和质量分数为5-20%的氢氧化钠溶液，加入去离子水调节pH值至8-10；加热至60～80℃，均匀搅拌下，加入质量分数为50～90%的水合联氨试剂，并加入强化相各组分，搅拌至溶液由深褐色变成清亮无色，沉淀、过滤，用去离子水进行反复清洗沉淀，获得铂族金属包裹强化相的湿粉体；在200～700℃条件下高温煅烧20～60min，获得均匀、细小的粉体材料；

3）烧结

将步骤2）所述粉体材料进行过筛、均匀重混，在30～200MPa压力下压制10～30min，1200～1500℃烧结，形成致密度≥99.5%的致密烧结体；

4）成型加工

将步骤3）得到的烧结体1000～1500℃开坯锻造，终锻温度为900～1400℃，按照单道次变形量≤15%、总变形量≤70%冷轧，获得满密度的致密材料，机加工成型，得到高强度铂族金属材料。

步骤2）所述粉体材料的粒径≤1μm。

步骤2）所述强氧化性酸为王水溶液。

所述王水溶液为浓盐酸+过氧化氢，浓盐酸(质量分数为37%）5~9升+过氧化氢（质量分数为30%）1~3升。

步骤2）所述加入水合联氨与铂族金属原料的配比为：600～1200ml:1kg。

步骤4）所述满密度大于等于99.95%。

采用本发明所述方法制得的材料在1400℃下，恒定载荷的高温持久时间比未强化材料提高了12倍以上，在工业领域尤其是能承受高温（1400℃以上）抵抗变形领域应用价值大。

本发明提供的抗高温变形的高强度铂族金属材料，通过添加微量的氧化锆、氧化钇、碳化钛的至少一种作为强化相，弥散分布在材料中，得到高均匀性粉体材料，通过粉末冶金及变形加工的工艺得到高致密、高强度的材料，在高温下长期使用，具有良好的抗冲刷、抗腐蚀和高温抗蠕变性能。

采用本发明所述方法制备的材料，选择杂质总量低于0.1%的铂族金属混合金属原料，因此，对于原料，应进行熔炼出渣提纯，既能提高化学造液制粉效率，又能确保粉体的高洁净性。铂族金属经化学法溶解，添加氧化锆、氧化钇、碳化钛中的至少一种颗粒强化相，进行持续搅拌均匀，其显著效果是能均匀沉淀形核，并能通过形核有效实现包裹强化相，确保了粉体的成分均匀化；实施过程中，采用去离子水进行反复清洗沉淀，有效确保了水中的杂质不被引入，这是对于材料在后续高温加工（尤其是焊接）过程有效避免气泡等有害物质产生有着积极的作用；再经压力成型及烧结的粉末冶金工艺和形变加工工艺，获得了高致密的材料。

直接添加氧化锆/氧化钇而不是锆/钇单质再进行氧化成其氧化物，可以避免氧化不充分（现有技术的方法其氧化深度达到90%左右，未完全氧化的锆或者钇金属单质不能起到强化作用，相反，因与铂基体的物理化学特性不一样，使得基体中的力学，尤其是高温强度、电性能以及耐腐蚀性等不好），保证金属的强化作用。

碳化钛/氧化锆/氧化钇作为强化相硬质相被均匀被包裹在本发明所述材料中，该强化相越细小、均匀弥散分布，强化效果越好，TiC：自身高熔点(3170℃)、高硬度(硬度仅次于金刚石，2943Kg/mm²)和高耐磨性，与盐酸、硫酸几乎不起化学反应，化学稳定性高，是一种极其好的硬质添加相，在高温变形过程中形成大量典型塑性变形的韧窝结构，起到阻碍位错滑移、抵抗晶体变形、阻碍晶粒长大等作用。氧化锆以立方氧化锆形式存在基体中，作为增强相，阻碍位错滑移、抵抗晶体变形、阻碍晶粒长大等作用。氧化钇作为氧化锆的安定剂，起到增强增韧作用。因此，本发明所述材料能有效提高材料在高温下的力学性能尤其是高温抗蠕变性，是一种很好的抵抗高温变形的高强度铂材料，具有优良的高温持久及高温抗蠕变性能，同时也具有良好的抗冲刷及抗腐蚀性能，在高温恶劣条件下的使用寿命长，降低贵金属损耗，从而大大降低工业领域产业链的生产成本。

本发明所述材料，可用于高温冶金、高电弧烧蚀环境、特种玻璃、高温晶体、航空航天等工业领域尤其是能承受高温（1400℃以上）抵抗变形领域，其应用价值大。

附图说明

图1为高均匀性铂族金属粉体材料的放大图；

图2 为普通铂族金属材料在1400℃下抵抗变形的形貌；

图3为本发明所述材料在1400℃下的抵抗变形的形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例中各物料的纯度均大于等于99.95。

实施例1

铂：897.5g（重量百分比89.75%），铑：100g（重量百分比10%），氧化锆：2g（重量百分比0.2%），氧化钇：0.5g（重量百分比0.05%）。

实施例2

铂：948.6g（重量百分比94.86%），铑：50g（重量百分比5%），氧化锆：0.7g（重量百分比0.07%），氧化钇：0.5g（重量百分比0.05%），碳化钛：0.2g（重量百分比0.02%）。

实施例3

铂：898g（重量百分比89.8%），铱：100g（重量百分比10%），氧化锆：1.5g（重量百分比0.15%），氧化钇：0.5g（重量百分比0.05%）。

实施例4

铂：889.8g（重量百分比88.98%），铑：100g（重量百分比10%），铱：10g（重量百分比1%），碳化钛：0.2g（重量百分比0.02%）。

实施例5

铂：843g（重量百分比84.3%），铑：150g（重量百分比15%），铱：5g（重量百分比0.5%），氧化锆：1.5g（重量百分比0.15%），氧化钇：0.5g（重量百分比0.05%）。

按照下述方法制备抗高温变形的高强度铂族金属材料：

1）配置原料

取实施例1-5所述的各组分，得到铂族金属原料和强化相原料；

2）造液

用强氧化性酸溶液（浓盐酸+过氧化氢，其中，质量分数为37%为浓盐酸5~9升，质量分数为30%_的过氧化氢1~3升），溶解铂族金属原料，加入0.5-0.9倍铂族金属原料重量的固体氯化钠和质量分数为5-20%氢氧化钠溶液，加去离子水调整溶液pH值至8-10，加热至60～80℃，在持续均匀搅拌下，加入质量分数为50～90%的水合联氨试剂，并加入强化相原料，搅拌至溶液由深褐色变成清亮无色，沉淀、过滤，用去离子水进行反复清洗沉淀，获得铂族金属包裹强化相的湿粉体；在200～700℃、20～60min条件下高温煅烧，获得均匀、细小的粉体材料；该粉体材料的粒径≤小于1μm。

所述加入水合联氨与铂族金属原料的配比为：600～1200ml:1kg。

3）烧结

4）成型加工

将步骤3）烧结体1000～1500℃开坯锻造，终锻温度为900～1400℃，按照单道次变形量≤15%、总变形量≤70%，进行冷轧，获得满密度的致密材料。根据产品形状进行机加工，得到高强度铂族材料，参见图1。

所得铂族材料做高温持久实验，即将材料加工成丝材或者片材样品，垂直放置在高温持久试验炉中，样品一端固定，另一端加载恒定载荷，检测材料持久时间。

结论：经测试，所得铂族材料与铂族合金普通材料在同等受力条件相比持久时间延长了12倍以上，且在高温持久时间更长的情况下，本发明所述的材料在抵抗高温变形的晶粒组织相比普通材料而言更细小、更致密（参见图2和图3），材料受损（失效）程度更小。

Claims

1.一种抗高温变形的高强度铂族金属材料，其特征在于，该材料由铂族金属和强化相组成，该强化相为弥散分布在铂族金属中氧化锆、氧化钇、碳化钛颗粒中的至少一种，铂族金属经化学法溶解，添加氧化锆、氧化钇、碳化钛中的至少一种颗粒强化相，均匀沉淀形核，通过形核有效实现包裹强化相，再经压力成型及烧结的粉末冶金工艺和形变加工工艺，获得了高致密的材料，所述材料各组分重量百分含量为0＜强化相≤0.4wt%，铂族金属为余量，所述铂族金属为铂、铑或/和铱。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述铑、铱的重量百分含量为，铑：1～30wt%；铱：0～10wt%。

3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述强化相各组分的重量百分含量为：0＜ZrO₂≤0.3wt%；0＜Y₂O₃≤0.2wt%；0＜TiC≤0.2wt%。

4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述均0＜强化相颗粒粒径≤0.1μm。

5.权利要求1-4任一所述的抗高温变形的高强度铂族金属材料的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1）配料

按权利要求1或2所述金属材料各组分配料；

2）造液

强氧化酸浓盐酸+过氧化氢溶液溶解铂族金属原料，加入0.5-0.8倍的铂族金属重量的氯化钠和质量分数为5-20%的氢氧化钠溶液，用去离子水调节pH值至8-10，加热至60～80℃，均匀搅拌下，加入质量分数为50～90%的水合联氨试剂，并加入强化相的各组分，搅拌至溶液由深褐色变成清亮无色，沉淀、过滤，用去离子水反复清洗沉淀，获得铂族金属包裹强化相的湿粉体；在200～700℃条件下高温煅烧20～60min，获得均匀、细小的粉体材料；

3）烧结

将步骤2）所述粉体材料过筛、均匀重混，在30～200MPa压力下压制10～30min，1200～1500℃烧结，得到致密度≥99.5%的致密烧结体；

4）成型加工

将步骤3）得到的烧结体1000～1500℃开坯锻造，终锻温度为900～1400℃，冷轧，其单道次变形量≤15%、总变形量≤70%下，获得满密度的致密材料，机加工成型，得到高强度铂族金属材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤2）所述粉体材料的粒径≤1μm。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤2）所述浓盐酸+过氧化氢为质量分数为37%的浓盐酸5~9升+质量分数为30%的过氧化氢1~3升。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤2）所述加入水合联氨与铂族金属原料的配比为：600～1200ml:1kg。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤4）所述满密度为≥99.95%。