CN112281042B - 一种Mo-Ti-Cr-C合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Mo‑Ti‑Cr‑C合金材料，由以下质量百分比的原料制成：Ti 2%~12%，Cr 3%~7%，C 1%~5%，余量为Mo和不可避免的杂质。另外，本发明还公开了制备该Mo‑Ti‑Cr‑C合金材料的方法，该方法为：一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后置于真空自耗电弧熔炼炉中熔炼1~3次，得到半成品铸锭；二、将半成品铸锭切割加工成棒材，打磨后进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo‑Ti‑Cr‑C合金材料。本发明Mo‑Ti‑Cr‑C合金材料具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。

Description

一种Mo-Ti-Cr-C合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，具体涉及一种Mo-Ti-Cr-C合金材料及其制备方法。
背景技术
现代的发动机系统不仅推力大，而且推重比不断提高，高性能飞行器的发展有赖于先进动力系统与之匹配，随着发动机推力和效率的提高，发动机的进口温度需不断提高，在发动机部件中，热端关键部件的工作条件最为苛刻，要在1200℃以上高温和腐蚀环境中承受高的应力，而且还要求使用寿命长，这就要求关键部件材料具有良好的抗腐蚀性能，高的抗蠕变性能，高的高温持久强度、断裂韧性和疲劳性能等。难熔金属因具有高强度、高熔点、良好的室温塑性、耐蚀性和易于加工成形等优点已在航空、航天、核工业等高温环境中得到了应用，是最重要的超高温结构材料。然而，难熔金属材料高温氧化限制了其应用，这是由于难熔金属在超高温恶劣环境服役过程中，最主要损坏形式是氧化，目前还没有找到一种特别有效的解决方法，而且对其氧化机理尚不明确；同时高温抗氧化要求限制了材料组分和微结构的设计自由度。难熔金属在超高温极端环境下的长时间动态热/力耦合载荷条件下，经历了热冲击或长时间热疲劳的综合作用，材料自身已有的强韧化机制在高温服役下可能失去了作用。因此，目前需要一种超过目前高温合金使用温度极限的材料，这种新材料需具有高熔点、塑性好、抗氧化和高温强度高、纯度高和杂质含量低等特点。
在公开(公告)号 CN109763047A的专利中，公开一种高强度的Mo-Ti-Zr-CNT 钼合金复合材料及其制备方法，采用碳纳米管替代传统石墨，作为TZM钼合金的碳源，在钼中掺杂TiH2、ZrH2以及CNT后获得的钼合金，各组分按质量百分比构成为：Ti 0.5％，Zr 0.1％，CNT 0.03％，余量为Mo，该发明通过对球磨以及放电等离子烧结等工艺的优化，使制备的Mo-Ti-Zr-CNT 钼合金复合材料的硬度和屈服强度得到有效地提高。
以上专利公开的合金复合材料采用粉末冶金法制备，其制备的Mo-Ti-Zr-CNT 钼合金复合材料的硬度和屈服强度得到有效地提高，但对于该材料否能具备高温抗氧化性能（氧质量含量低）没有公开。
发明内容
本发明的目的是提供一种Mo-Ti-Cr-C合金材料及其制备方法，采用真空电弧熔炼法制备Mo-Ti-Cr-C合金材料，制得的合金材料具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种Mo-Ti-Cr-C合金材料，由以下质量百分比的原料制成：Ti 2%~12%，Cr 3%~7%，C 1%~5%，余量为Mo和不可避免的杂质。
上述的一种Mo-Ti-Cr-C合金材料，优选的，由以下质量百分比的原料制成：Ti 4%~10%，Cr 4%~6%，C 2%~4%，余量为Mo和不可避免的杂质。
上述的一种Mo-Ti-Cr-C合金材料，优选的，由以下质量百分比的原料制成：Ti 7%，Cr 5%，C 3%，余量为Mo和不可避免的杂质。
另外，本发明还提供了一种制备上述Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼1~3次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA~10kA，熔炼电压为20V~40V；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，打磨后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1A ~2A，熔炼电压为30kV~50kV。
上述的方法，优选的，步骤一中所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、传统的钼合金材料由于氧含量高导致材料很脆、没有室温塑性，本发明采用电弧熔炼+电子束区域熔炼的工艺过程制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料由于固体杂质含量及气体杂质含量均极低，大大提高了Mo-Ti-Cr-C合金材料的室温塑性和力学性能。
2、在高温氧化气氛中，由于合金元素Cr和Ti的作用，在合金材料表面形成一层致密的氧化膜，阻止外面的氧气侵入造成继续氧化，提高了合金材料的高温抗氧化性能。
3、本发明制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料，Ti、Cr和C合金元素均匀分布且完全固溶，充分发挥了合金元素的强化作用；细小的碳化物分布在基体中，显著提高了Mo-Ti-Cr-C合金材料的力学性能。
4、本发明Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为25ppm~55ppm、室温抗拉强度为850MPa ~1270MPa、延伸率为5%~11%、在1300℃条件下压缩强度为220MPa~450MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.09mg/cm2~0.030mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
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Mo-Ti-Cr-C合金材料的显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 7%，Cr 5%，C3%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼2次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，熔炼电压为30V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1.5A，熔炼电压为40kV。
本发明实施例1制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料的显微组织如图1所示，微观组织没有观察到微裂纹、空洞等缺陷，材料几乎完全致密；没有观察到复杂的不稳定相或者过渡相，细小的碳化物颗粒均匀分布在基体中，这种理想组织使材料具有高强度和良好的塑韧性。由于采用电弧熔炼和电子束区域熔炼大大降低了氧和杂质含量，这也显著提高了材料的塑性和力学性能。采用能谱进一步分析表明Ti、Cr和C合金元素均匀分布且完全固溶，充分发挥了合金元素的强化作用。在高温氧化气氛中，Cr氧化生成Cr2O3，并且Ti和Cr2O3相互作用，形成流动较好的氧化物，在Mo-Ti-Cr-C合金材料表面容易形成一层致密的氧化膜，阻止外面的氧气侵入造成继续氧化，提高了合金材料的高温抗氧化性能。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为25ppm、室温抗拉强度为1270MPa、延伸率为11%、在1300℃条件下压缩强度为450MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.030mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例2
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 7%，Cr 5%，C3%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼1次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA，熔炼电压为20V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1A，熔炼电压为30kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为55ppm、室温抗拉强度为850MPa、延伸率为5%、在1300℃条件下压缩强度为280MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.060mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例3
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 7%，Cr 5%，C3%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼3次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为10kA，熔炼电压为40V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为2A，熔炼电压为50kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为25ppm~55ppm、室温抗拉强度为1200MPa、延伸率为10%、在1300℃条件下压缩强度为220MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.09mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例4
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 2%，Cr 3%，C1%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼2次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，熔炼电压为30V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1.5A，熔炼电压为40kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为50ppm、室温抗拉强度为1070MPa、延伸率为8%、在1300℃条件下压缩强度为370MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.070mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例5
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 12%，Cr 7%，C5%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼2次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，熔炼电压为30V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1.5A，熔炼电压为40kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为36ppm、室温抗拉强度为957MPa、延伸率为7%、在1300℃条件下压缩强度为329MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.08mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例6
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 4%，Cr 4%，C2%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼2次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，熔炼电压为30V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1.5A，熔炼电压为40kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为39ppm、室温抗拉强度为1130MPa、延伸率为10%、在1300℃条件下压缩强度为357MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.06mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例7
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 10%，Cr 6%，C4%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼2次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，熔炼电压为30V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1.5A，熔炼电压为40kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为48ppm、室温抗拉强度为958MPa、延伸率为7%、在1300℃条件下压缩强度为360MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.05mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例8
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 2%，Cr 3%，C1%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼1次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA，熔炼电压为20V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1A，熔炼电压为30kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为39ppm~55ppm、室温抗拉强度为1050MPa、延伸率为8%、在1300℃条件下压缩强度为390MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.06mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
实施例9
本实施例Mo-Ti-Cr-C合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 12%，Cr 7%，C5%，余量为Mo和不可避免的杂质。
本实施例制备Mo-Ti-Cr-C合金材料的方法包括以下步骤：
步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼3次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为10kA，熔炼电压为40V，优选地，所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成横截面直径为20mm，长度为600mm的棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，并用无水乙醇清洗干净，打磨清洗后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为2A，熔炼电压为50kV。
本实施例制备的Mo-Ti-Cr-C合金材料氧质量含量为47ppm、室温抗拉强度为956MPa、延伸率为10%、在1300℃条件下压缩强度为419MPa、在1300℃空气环境中氧化100h后材料损失只有0.07mg/cm2，具有纯度高、氧质量含量低、塑性好、优异的力学性能和抗氧化性能等特点，在航空航天及国防工业上有广阔的应用前景。
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 (3)

1.一种Mo-Ti-Cr-C合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：Ti 2%~12%，Cr 3%~7%，C 1%~5%，余量为Mo和不可避免的杂质；
所述该合金材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将钛粉、铬粉、碳粉和钼粉混合均匀后压制成电极，然后将所述电极置于真空自耗电弧熔炼炉中，在真空度小于5×10-2Pa的条件下电弧熔炼1~3次，得到半成品铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA~10kA，熔炼电压为20V~40V；
步骤二、将步骤一中所述半成品铸锭切割加工成棒材，然后打磨所述棒材去除表面氧化皮，打磨后将棒材在真空度小于6×10-3Pa的条件下进行电子束区域熔炼，冷却后得到Mo-Ti-Cr-C合金材料；所述电子束区域熔炼的熔炼电流为1A ~2A，熔炼电压为30kV~50kV；
其中，所述制备步骤一中所述钛粉的质量纯度不小于98%，所述铬粉的质量纯度不小于98%，所述碳粉的质量纯度不小于98%，所述钼粉的质量纯度不小于99%。
2.按照权利要求1所述的一种Mo-Ti-Cr-C合金材料，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 4%~10%，Cr 4%~6%，C 2%~4%，余量为Mo和不可避免的杂质。
3.按照权利要求1所述的一种Mo-Ti-Cr-C合金材料，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 7%，Cr 5%，C 3%，余量为Mo和不可避免的杂质。
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