CN111155017A - 一种钼铼合金梯度材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钼铼合金梯度材料,按照从所述梯度材料的一端到另一端的方向,包括:多个材料段,各个所述材料段的成分按重量百分比计包括50‑95%的钼和5‑50%的铼,相邻的各所述材料段的成分和/或成分含量不相同;本发明还提供制备方法,包括:钼铼合金粉料的制备步骤,压制成型步骤,烧结步骤,热等静压步骤。本发明的原料经分段式产品结构设计,经整体一次压制成型制成多段且不同成分配比的整根坯料;再经过烧结,热等静压处理等工艺最终制得了多种成分配比的钼铼合金梯度材料。本发明通过合理的成分配比、结构设计及制备方法,使本发明多功能钼铼合金梯度材料具有优良、稳定的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于稀有难熔金属领域,具体涉及一种钼铼合金梯度材料及其制备方法,适用于多种成分配比的钼铼合金梯度复合制备。
背景技术
钼铼合金具有优良的高温性能和韧性,是非常重要的结构材料。钼铼合金由于具有优异的性能,广泛应用于电子、航空航天、核能等高科技领域中。例如,钼铼合金有优异的抗辐射性能,可以作结构包套材料,用于空间核反应堆的热离子交换器;钼铼合金具有高的抗拉强度和好的延性,可以制成箔材和极细丝材,成为很好的弹性元件;钼铼合金具有好的高温性能,可以用在加热器、反射器、火箭推进器、工作站、热电偶等高温设备中,并且具有很长的使用寿命。另外,钼铼合金具有良好的导电性、耐磨性和抗电弧烧蚀性,在电子器件方面的应用也很广泛。
不同铼含量的钼铼合金性能存在差异。在固溶度范围内,一般都是随着铼含量的增加钼铼合金综合性能变得更好。例如,随着铼含量的增加,钼铼合金的塑脆转变温度逐渐降低,当铼含量达到50%时,塑脆转变温度达到了-254℃左右;随着铼含量的增加,钼铼合金的再结晶温度逐渐升高,当铼含量大于10%时,钼铼合金的再结晶温度升高到1200℃,钼铼合金的高温性能得到了提高;随着铼含量的增加,固溶强化作用也增强,同时晶粒变细,钼铼合金的屈服强度和抗拉强度逐渐升高,应力因子和硬化指数均升高,加工硬化逐渐增强,同时塑性也逐渐提高;随着铼含量的增加,钼铼合金的各向异性逐渐减弱,当铼含量达到50%时,钼铼合金表现为各向同性,各个晶向上的弹性系数都一样。比如,应用在航天上的钼铼合金,不但需要好的室温性能,而且还要有很低的塑脆转变温度、好的塑性、高的强度和高的再结晶温度等,一般铼的含量在40%以上。由于使用环境的复杂性,对于钼铼合金的成分要求不同,而且考虑到铼元素非常稀少且价格昂贵,寻求经济的钼铼合金替代材料也是很有意义的。
本申请的发明人经过大量的工作发现,对于不同使用要求的部位采用不同铼含量的钼铼合金梯度材料,可以有效地降低成本,综合利用不同成分配比的钼铼合金的性能。
目前未有按成分配比的梯度钼铼合金材料的相关公开资料。
发明内容
针对上述技术问题,本发明的目的在于提供一种钼铼合金梯度材料及其制备方法,该方法可以适用于多种成分配比的钼铼合金梯度复合制备,能充分利用不同铼含量的钼铼合金性能和成本的差异,适用于复杂的使用工况,且节省成本。
为了实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:
一种钼铼合金梯度材料,按照从所述梯度材料的一端到另一端的方向,包括:多个材料段,各个所述材料段的成分按重量百分比计包括50-95%的钼和5-50%的铼,相邻的各所述材料段的成分和/或成分含量不相同。
上述钼铼合金梯度材料中,作为一种优选实施方式,所述材料段的个数为2或3。
上述钼铼合金梯度材料中,所述钼铼合金梯度材料由模具形状决定,作为一种优选实施方式,所述钼铼合金梯度材料为棒材或管材。
上述钼铼合金梯度材料中,作为一种优选实施方式,多个所述材料段的成分选自MoRe5,MoRe14,MoRe42,MoRe47.5,其中数字表示钼铼合金中的铼的重量百分比。
上述钼铼合金梯度材料中,作为一种优选实施方式,按照从所述钼铼合金梯度材料的一端到另一端的方向,每个所述材料段的长度为80mm-1000mm(比如100mm、120mm、150mm、200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、900mm)。
一种钼铼合金梯度材料的制备方法,包括:
钼铼合金粉料的制备步骤:按照上述钼铼合金梯度材料中各个所述材料段的成分及其重量比称取钼粉和铼粉,分别将各个所述材料段的原料混合均匀,得到各个所述材料段的钼铼合金粉料;
压制成型步骤:按照各个所述材料段的设计顺序,将各个所述材料段的钼铼合金粉料按顺序依次装入模具中,然后进行压制成型处理,得到压坯;
烧结步骤:将所述压坯进行烧结处理,得到钼铼合金烧坯;
热等静压步骤:将所述钼铼合金烧坯进行热等静压处理,得到完全致密的钼铼合金梯度材料。
在上述制备方法中,作为一种优选实施方式,所述制备方法还包括机加工步骤,所述机加工步骤为:将所述钼铼合金材料进行机加工处理,得到钼铼合金棒材或管材等形状的成品。
上述钼铼合金梯度材料的制备方法中,作为一种优选实施方式,按重量百分比计,所述钼铼合金粉末成分为:铼5~50%(比如10%、15%、20%、30%、35%、40%、45%),其他为钼。
上述钼铼合金梯度材料的制备方法中,作为一种优选实施方式,钼铼合金粉末制备步骤中,所述钼粉为高纯钼粉,纯度≥99.95%,费氏粒度为2.0~4.0μm(比如2.2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、3.8μm);所述铼粉为高纯铼粉,纯度≥99.99%,粒度为-200~-350目(比如-330目、-300目、-280目、-250目、-220目),即所述高纯铼粉为筛下粉,筛子目数为200~350目。
上述钼铼合金梯度材料的制备方法,作为一种优选实施方式,钼铼合金粉末制备步骤中,混料时间为2~8h(比如2h、3h、4h、5h、6h、7h),转速为20~100r/min(比如25r/min、30r/min、40r/min、50r/min、60r/min、70r/min、80r/min、90r/min);更优选地,混料在三维混料机中进行。
上述钼铼合金梯度材料的制备方法,作为一种优选实施方式,压制成型步骤中,压制成型处理为冷等静压成型处理,压力为150~250MPa(比如155MPa、160MPa、170MPa、185MPa、200MPa、220MPa、235MPa、245MPa),保压时间为10~30min(比如12min、15min、20min、25min、28min)。
上述钼铼合金梯度材料的制备方法,作为一种优选实施方式,烧结步骤中,所述烧结处理采用非氧化性气氛,更优选为氢气气氛,烧结温度为2100~2350℃(比如2120℃、2150℃、2200℃、2250℃、2300℃、2320℃、2340℃),保温时间为1h~8h(比如1.5h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8.5h)。
上述钼铼合金梯度材料的制备方法中,作为一种优选实施方式,热等静压处理步骤中,所述热等静压处理的温度为1500-1900℃(比如1550℃、1650℃、1750℃、1800℃、1900℃),压力为150-200Mpa(比如150Mpa、170Mpa、180Mpa、190Mpa、195Mpa),保温保压时间1-4h(比如1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h)。
本发明通过研究和实验,充分利用现行不同组份的钼铼合金的性能特点,发现对不同组分、性能的钼铼合金材料进行合理的布局设计、制备出的整体部件,可以更好地满足多种使用工况的钼铼合金的功能适应性。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果为:
一)本发明提供的钼铼合金是基于不同组分钼铼合金的各自性能特点,在合理设计的基础上,将不同组分材料有效整合,提供多合一使用方案;
二)本发明的原料经分段式产品结构设计,经整体一次压制成型制成多段且不同成分配比的整根坯料;再经过烧结,热等静压处理等工艺最终制得了多种成分配比的钼铼合金梯度材料。本发明通过合理的成分配比、结构设计及制备方法,使本发明多功能钼铼合金梯度材料具有优良、稳定的综合力学性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的钼铼合金梯度材料进行说明。应理解,这些实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解,在阅读了本发明的内容之后,本领域技术人员对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以下实施例中所用钼粉和铼粉均为市场销售产品。
实施例1制备MoRe5/MoRe14钼铼合金梯度棒材,理论密度为10.74g/cm3本实施例制备钼铼合金梯度材料包括如下步骤:
(一)合金粉末制备:按Mo:Re比例95:5,将3800g的钼粉和200g铼粉放入三维混料机进行混合,得到MoRe5合金粉末;按Mo:Re比例86:14,将3440g的钼粉和560g铼粉放入三维混料机进行混合,得到MoRe14合金粉末;混料机转速30r/min,混料时间4h;其中,钼粉的费氏粒度为3.0μm,纯度99.95%;铼粉的粒度为-250目(过250目筛),纯度99.99%。
(二)压制成型:首先将步骤(一)所得MoRe5合金粉末粉末4Kg放入模具中,再放入MoRe14合金粉末4Kg,在150MPa压力下保压15分钟得到相对相对密度为70%的棒状压坯。
(三)高温烧结:将步骤(二)的压坯放入中频高温氢气烧结炉内进行烧结,烧结最高温度为2100℃,最高温度下保温6h,得到相对密度为94%、直径为50mm的烧结坯。
(四)热等静压:将步骤(三)的烧结坯进行热等静压处理,热等静压温度1550℃,热等静压压力160Mpa,保温保压时间4h;得到完全致密的坯料,坯料尺寸:直径47mm,MoRe5长度220mm,MoRe 14长度210mm。
(五)机加工:对步骤(四)中的钼铼合金棒材进行机加工,得到符合实际需求的钼铼合金终品件,即MoRe5/MoRe14钼铼合金梯度棒材。
本实施例制备的棒材经过拉伸试验,室温抗拉强度500MPa,延伸率20%,1200℃高温抗拉强度达150MPa、延伸率25%。
实施例2制备MoRe14/MoRe42钼铼合金梯度棒材,理论密度12g/cm3。
本实施例制备钼铼合金梯度材料包括如下步骤:
(一)合金粉末制备:按Mo:Re比例86:14,将4.3Kg的钼粉和0.7Kg铼粉放入三维混料机进行混合,得到MoRe14合金粉末;按Mo:Re比例58:42,将2.9Kg的钼粉和2.1Kg铼粉放入三维混料机进行混合,得到MoRe42合金粉末;混料机转速40r/min,混料时间5h;其中,钼粉的费氏粒度为3.4μm,纯度99.95%;铼粉的粒度为-350目,纯度99.99%。
(二)压制成型:首先将步骤(一)所得MoRe14合金粉末5Kg放入模具中,再放入MoRe42合金粉末5Kg,在200MPa压力下保压20min得到相对相对密度为75%的棒状压坯。
(三)高温烧结:将步骤(二)的压坯放入中频高温氢气烧结炉内进行烧结,烧结最高温度为2200℃,最高温度下保温5h,得到相对密度为93%、直径为60mm的烧结坯。
(四)热等静压:将步骤(三)的烧结坯进行热等静压处理,热等静压温度1700℃,压力190Mpa,保温保压时间3h;得到完全致密的坯料,坯料尺寸:直径58mm,MoRe14长180mm,MoRe42长155mm。
(五)机加工:对步骤(四)中的钼铼合金棒材进行机加工,得到符合实际需求的钼铼合金终品件,即MoRe14/MoRe42钼铼合金梯度棒材。
本实施例制备的棒材经过拉伸试验,室温抗拉强度700MPa,延伸率26%,1200℃高温抗拉强度达210MPa、延伸率32%。
实施例3制备MoRe5/MoRe14/MoRe42钼铼合金梯度棒材,理论密度11.49g/cm3。
本实施例制备钼铼合金梯度材料包括如下步骤:
(一)合金粉末制备:按Mo:Re比例95:5,将2.85Kg的钼粉和0.15Kg铼粉放入三维混料机进行混合,得到MoRe5合金粉末;按Mo:Re比例86:14,将2.58Kg的钼粉和0.42Kg铼粉放入三维混料机进行混合,得到MoRe14合金粉末;按Mo:Re比例58:42,将1.74Kg的钼粉和1.26Kg铼粉放入三维混料机进行混合,得到MoRe42合金粉末;混料机转速40r/min,混料时间5h;其中,钼粉的费氏粒度为3.4μm,纯度99.95%;铼粉的粒度为-350目,纯度99.99%。
(二)压制成型:首先将步骤(一)所得MoRe42合金粉末3Kg放入模具中,再依次放入MoRe14合金粉末3Kg和MoRe42合金粉末3Kg,在200MPa压力下保压20min得到相对相对密度为75%的棒状压坯。
(三)高温烧结:将步骤(二)的压坯放入中频高温氢气烧结炉内进行烧结,烧结最高温度为2200℃,最高温度下保温5h,得到相对密度为95%、直径为60mm的烧结坯。
(四)热等静压:将步骤(三)的烧结坯进行热等静压处理,热等静压温度1800℃,压力170Mpa,保温保压时间2h;得到完全致密的坯料,坯料尺寸:直径57mm,MoRe5长115mm,MoRe 14长110mm,MoRe 42长95mm。
(五)机加工:对步骤(四)中的钼铼合金棒材进行机加工,得到符合实际需求的钼铼合金终品件,即MoRe5/MoRe14/MoRe42钼铼合金梯度棒材。
本实施例制备的棒材经过拉伸试验,室温抗拉强度750MPa,延伸率33%,1200℃高温抗拉强度达250MPa、延伸率35%。
对比例1
对比例1与实施例1相比仅步骤(三)、(四)不同,具体如下:
(三)高温烧结:将步骤(二)的压坯放入中频高温氢气烧结炉内进行烧结,烧结最高温度为2000℃,最高温度下保温6h,得到相对密度为89%、直径为50mm的烧结坯。
(四)热等静压:将步骤(三)的烧结坯进行热等静压处理,热等静压温度1450℃,热等静压压力180Mpa,保温保压时间4h;得到相对密度为99.5%的致密坯料,坯料尺寸:直径47mm,MoRe5长度220mm,MoRe 14长度210mm。
本对比例制备的棒材经过拉伸试验,室温抗拉强度285MPa,延伸率15%,1200℃高温抗拉强度达119MPa、延伸率16%。
实施例4-5
实施例4-5与实施例1相比仅步骤(四)热等静压温度和压力不同,具体参见表1,制得的MoRe5/MoRe14钼铼合金梯度棒材的性能也参见表1
表1实施例4-5的HIP工艺条件和棒材性能
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种钼铼合金梯度材料,其特征在于,按照从所述梯度材料的一端到另一端的方向,包括:多个材料段,各个所述材料段的成分按重量百分比计包括50-95%的钼和5-50%的铼,相邻的各所述材料段的成分和/或成分含量不相同。
2.根据权利要求1所述的钼铼合金梯度材料,其特征在于,所述材料段的个数为2或3;
优选地,所述钼铼合金梯度材料为棒材或管材;
更优选地,按照从所述钼铼合金梯度材料的一端到另一端的方向,每个所述材料段的长度为80mm-520mm。
3.根据权利要求1或2所述的钼铼合金梯度材料,其特征在于,多个所述材料段的成分选自MoRe5,MoRe14,MoRe42,MoRe47.5,其中数字表示钼铼合金中的铼的重量百分比。
4.一种钼铼合金梯度材料的制备方法,其特征在于,包括:
钼铼合金粉料的制备步骤:按照如权利要求1-3中任一项所述的钼铼合金梯度材料中各个所述材料段的成分及其重量比称取钼粉和铼粉,分别将各个所述材料段的原料混合均匀,得到各个所述材料段的钼铼合金粉料;
压制成型步骤:按照各个所述材料段的设计顺序,将各个所述材料段的钼铼合金粉料按顺序依次装入模具中,然后进行压制成型处理,得到压坯;
烧结步骤:将所述压坯进行烧结处理,得到钼铼合金烧坯;
热等静压步骤:将所述钼铼合金烧坯进行热等静压处理,得到完全致密的钼铼合金梯度材料。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法还包括机加工步骤,所述机加工步骤为:将所述钼铼合金材料进行机加工处理,得到钼铼合金梯度材料成品。
6.如权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于,钼铼合金粉末制备步骤中,所述钼粉为高纯钼粉,纯度≥99.95%,费氏粒度为2.0~4.0μm;所述铼粉为高纯铼粉,纯度≥99.99%,所述高纯铼粉为筛下粉,筛子目数为200~350目;
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,钼铼合金粉末制备步骤中,混料时间为2~8h,转速为20~100r/min;优选地,混料在三维混料机中进行。
8.如权利要求3-7中任一项所述的制备方法,其特征在于,压制成型步骤中,压制成型处理为冷等静压成型处理,压力为150~250MPa,保压时间为10~30min。
9.如权利要求3-8中任一项所述的制备方法,其特征在于,烧结步骤中,所述烧结处理采用非氧化性气氛,更优选为氢气气氛,烧结温度为2100~2350℃,保温时间为1h~8h。
10.如权利要求3-9中任一项所述的制备方法,其特征在于,热等静压处理步骤中,所述热等静压处理的温度为1500-1900℃,压力为150-200MPa,保温保压时间1-4h。
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