CN114182150B - 一种新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温金属结构材料技术领域，尤其是涉及一种新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金及其制备方法。其制备工艺是：首先采用熔炼法或粉末冶金法制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体，经机械破碎后获得对应粉末，然后根据拟制备合金的总成分将Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉与Mo粉按合适比例混合均匀，最后将混合粉末经放电等离子烧结制得Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体。本发明优点在于可通过不添加Ti、Nb、W、Ta等严重损害合金抗氧化性能的合金化元素来成功制备该类合金，进而实现合金力学性能与抗氧化性能的协同提升。
Description
技术领域
本发明属于高温金属结构材料技术领域，尤其是涉及一种新型非平衡态 Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金及其制备方法。
背景技术
航空技术的不断发展要求发动机具有更大的推重比，即更高的涡轮口进气温度，目前广泛用作涡轮叶片材料的镍基高温合金的使用温度已达1150℃，接近其上限。因此，亟需开发具有更高使用温度的新型超高温结构材料。Mo-Si-B基合金熔点高(约2000℃)、高温力学性能优异，且其在高温氧化过程中可形成保护性硼硅酸盐膜，因而表现出较好的抗氧化性能，是一类有望应用于1200℃以上的新型超高温结构材料。然而，该类合金室温韧性不足，且其室温韧性与高温强度和抗氧化性能的匹配性较差，严重制约了合金的实际应用。
目前广泛研究的Mo-Si-B基合金主要由Mo、Mo5SiB2和Mo3Si三相组成。其中，Mo 相保证合金具有一定室温韧性；Mo5SiB2和Mo3Si相则使合金具有较好的高温强度和抗氧化性能。近年来，鉴于Mo5Si3相比Mo3Si相具有更加优异的高温强度和抗氧化性能，研究者希望用Mo5Si3相代替Mo3Si相，即制备Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金。相比于传统 Mo+Mo5SiB2+Mo3Si基合金，新型Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金更具潜力拥有优异的综合性能。如当两者成分相同时(抗氧化性能相当)，Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金将具有更高的韧性Mo相含量，即更好的室温韧性，此外，Mo5Si3相更加优异的高温强度有助于提高合金整体强度。然而，由于Mo与Mo5Si3相间的热力学非平衡性，在Mo-Si-B三元平衡体系中并不存在Mo-Mo5SiB2-Mo5Si3相区。
目前主要通过在Mo-Si-B合金中添加足量Ti、Nb、W、Ta等合金化元素来制备 (Mo,X)+(Mo,X)5SiB2+(Mo,X)5Si3(X＝Ti,Nb,W,Ta)基合金，与相应Mo+Mo5SiB2+Mo3Si基合金相比，该类合金呈现出更好的力学性能。然而，这几种元素的氧化产物均不易挥发，阻碍了氧化过程中连续硼硅酸盐氧化膜的形成，从而严重损害合金抗氧化性能。
因此，开发在不添加合金化元素的前提下以制备非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的新技术对提高Mo-Si-B基合金综合性能，进而推进该合金在航空航天领域的实际应用有着重要工程意义。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术的不足之处，而提供一种具有较好的力学性能与抗氧化性能新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金及其制备方法。
本发明的目的是通过下列技术方案解决的：
本发明提供了一种新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的制备方法，其具体步骤如下：
(1)以高纯Mo、Si、B单质为原料制备相组成为Mo5SiB2+Mo5Si3的合金块体，合金成分点位于Mo5SiB2-Mo5Si3相区内，具体为Mo-Si-B成分三角形内由Mo-13.3Si-23.5B(at.％)、 Mo-13.3Si-24.1B(at.％)、Mo-37.7Si-0.9B(at.％)、Mo-38.3Si-0.9B(at.％)四点围成的区域；
(2)将Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体破碎为Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉，通过筛网对 Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉进行筛分；
(3)根据拟制备的Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的总成分，取Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉，将两者混合均匀；
(4)将Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的混合粉末装入高强石墨模具内，然后置于放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结，从而得到Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体，其烧结温度为1400～1700℃、烧结压力不小于30MPa、保温时间5～15min。
可以选择的，上述步骤(1)中以高纯Mo、Si、B单质块材为原料进行配料，通过电弧或感应熔炼法制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体；采用电火花线切割法切取合金块体次外层区域，采用SiC砂纸打磨掉线切割痕，超声波清洗后烘干待用。
可以选择的，上述步骤(1)中以高纯Mo、Si、B单质元素粉末为原料进行配料，以真空硬质不锈钢球磨罐及磨球为球磨介质，采用高能行星式球磨机实现机械合金化，球磨速度不小于150rpm、球料比10:1～20:1、球磨时间20～40h；将获得的机械合金化态粉末置于高强石墨模具内，通过热压烧结制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体，烧结温度为 1500～1650℃、烧结压力不小于40MPa、保温时间为1～3h；采用金刚石研磨片打磨掉合金块体表面碳化物层，超声波清洗后烘干待用。
优选的，上述步骤(2)中得到的Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的颗粒尺寸为5～200μm。
优选的，上述步骤(3)中Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的混合方式是以尼龙球磨罐及玛瑙磨球为球磨介质，利用行星式球磨机实现均匀混粉，球磨速度为50～100rpm、球料比为1:1、球磨时间为不小于5h。
本发明还提供了一种由上述制备方法制得的新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金。
和现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明可通过不添加Ti、Nb、W、Ta等严重损害合金抗氧化性能的合金化元素来成功制备非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金，进而实现合金力学性能与抗氧化性能的协同提升。
附图说明
图1为本发明的技术路线图。
图2为实施例1Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的X射线衍射图谱。
图3为实施例1Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的微观组织。
图4为实施例2Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的X射线衍射图谱。
图5为实施例2Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的微观组织。
图6为实施例3Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的X射线衍射图谱。
图7为实施例3Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的微观组织。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：
(1)制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体：选定Mo5SiB2-Mo5Si3相区内成分点Mo-22Si-15.6B (at.％)，以高纯单质块体为原料进行配料，通过电弧熔炼法制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体。采用电火花线切割法切取合金块体次外层区域，采用SiC砂纸打磨掉线切割痕，超声波清洗后烘干待用；
(2)制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉末：在硬质合金研钵内，将上述Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体破碎成粉末，通过筛网筛分获得粒径为75～100μm的粉末颗粒；
(3)制备Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的混合粉末：根据拟制备总成分为Mo-12Si-8.5B (at.％)的合金(合金平衡相组成为Mo+Mo5SiB2+Mo3Si)，按1.17:1的比例称取Mo粉(颗粒尺寸为1～2μm)与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉(颗粒尺寸为75～100μm)，以尼龙球磨罐及玛瑙磨球为球磨介质，利用行星式球磨机实现均匀混粉，球磨速度为100rpm、球料比为1:1、球磨时间为10h；
(4)制备Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体：将步骤(3)的均匀混合粉末装入高强石墨模具内，然后置于放电等离子烧结炉中，经放电等离子烧结制备Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体，烧结温度为1500℃、烧结压力为40MPa、保温时间为5min。
所得Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的X射线衍射图谱及合金微观组织如图2、图3所示，证实合金由Mo、Mo5SiB2、Mo5Si3和少量Mo3Si组成。
实施例2：
(1)制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体：选定Mo5SiB2-Mo5Si3相区内成分点Mo-22Si-15.6B (at.％)，以高纯元素粉末为原料进行配料，以真空硬质不锈钢球磨罐及磨球为球磨介质，采用高能行星式球磨机实现机械合金化，球磨速度为200rpm、球料比为14:1、球磨时间为30 h。将获得的机械合金化态粉末置于高强石墨模具内，通过热压烧结制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体，烧结温度为1600℃、烧结压力为48MPa、保温时间为2h。采用金刚石研磨片打磨掉合金块体表面碳化物层，超声波清洗后烘干待用；
(2)制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉末：在硬质合金研钵内，将上述Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体破碎成粉末，通过筛网筛分获得粒径为75～100μm粉末颗粒；
(3)制备Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的混合粉末：根据拟制备总成分为Mo-12Si-8.5B (at.％)的合金(合金平衡相组成为Mo+Mo5SiB2+Mo3Si)，按1.17:1的比例称取Mo粉(颗粒尺寸为1～2μm)与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉(颗粒尺寸为75～100μm)，以尼龙球磨罐及玛瑙磨球为球磨介质，利用行星式球磨机实现均匀混粉，球磨速度为100rpm、球料比为 1:1、球磨时间为10h；
(4)制备Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体：将步骤(3)的均匀混合粉末装入高强石墨模具内，然后置于放电等离子烧结炉中，经放电等离子烧结制备Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体，烧结温度为1450℃、烧结压力为40MPa、保温时间为5min。
所得Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的X射线衍射图谱及合金微观组织如图4、图5所示，证实合金由Mo、Mo5SiB2、Mo5Si3和少量Mo3Si组成。
实施例3：
(1)制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体：选定Mo5SiB2-Mo5Si3相区内成分点Mo-22Si-15.6B (at.％)，以高纯元素粉末为原料进行配料，以真空硬质不锈钢球磨罐及磨球为球磨介质，采用高能行星式球磨机实现机械合金化，球磨速度为200rpm、球料比为14:1、球磨时间为30 h。将获得的机械合金化态粉末置于高强石墨模具内，通过热压烧结制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体，烧结温度为1600℃、烧结压力为48MPa、保温时间为2h。采用金刚石研磨片打磨掉合金块体表面碳化物层，超声波清洗后烘干待用；
(2)制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉末：在硬质合金研钵内，将上述Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体破碎成粉末，通过筛网筛分获得粒径为75～100μm粉末颗粒；
(3)制备Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的混合粉末：根据拟制备总成分为Mo-12Si-8.5B (at.％)的合金(合金平衡相组成为Mo+Mo5SiB2+Mo3Si)，按1.17:1的比例称取Mo粉(颗粒尺寸为1～2μm)与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉(颗粒尺寸为75～100μm)，以尼龙球磨罐及玛瑙磨球为球磨介质，利用行星式球磨机实现均匀混粉，球磨速度为100rpm、球料比为 1:1、球磨时间为10h；
(4)制备Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体：将步骤(3)的均匀混合粉末装入高强石墨模具内，然后置于放电等离子烧结炉中，经放电等离子烧结制备Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体，烧结温度为1550℃、烧结压力为40MPa、保温时间为5min。
所得Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的X射线衍射图谱及合金微观组织如图6、图7所示，证实合金由Mo、Mo5SiB2、Mo5Si3和少量Mo3Si组成。测得合金的室温断裂韧性值可达11.2MPa·m1/2，明显高于现有文献报道的绝大多数同成分Mo+Mo5SiB2+Mo3Si基合金的室温韧性值(7～9MPa·m1/2)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的制备方法，其具体步骤如下：
(1)以高纯Mo、Si、B单质为原料制备相组成为Mo5SiB2+Mo5Si3的合金块体，合金成分点位于Mo5SiB2-Mo5Si3相区内，具体为Mo-Si-B成分三角形内由Mo-13.3Si-23.5B(at.％)、Mo-13.3Si-24.1B(at.％)、Mo-37.7Si-0.9B(at.％)、Mo-38.3Si-0.9B(at.％)四点围成的区域；
(2)将Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体破碎为Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉，通过筛网对Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉进行筛分；
(3)根据拟制备的Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的总成分，取Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉，将两者混合均匀；
(4)将Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的混合粉末装入高强石墨模具内，然后置于放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结，从而得到Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金块体，其烧结温度为1400～1700℃、烧结压力不小于30MPa、保温时间5～15min。
2.根据权利要求1所述的新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中以高纯Mo、Si、B单质块材为原料进行配料，通过电弧或感应熔炼法制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体；采用电火花线切割法切取合金块体次外层区域，采用SiC砂纸打磨掉线切割痕，超声波清洗后烘干待用。
3.根据权利要求1所述的新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中以高纯Mo、Si、B单质元素粉末为原料进行配料，以真空硬质不锈钢球磨罐及磨球为球磨介质，采用高能行星式球磨机实现机械合金化，球磨速度不小于150rpm、球料比10:1～20:1、球磨时间20～40h；将获得的机械合金化态粉末置于高强石墨模具内，通过热压烧结制备Mo5SiB2+Mo5Si3合金块体，烧结温度为1500～1650℃、烧结压力不小于40MPa、保温时间为1～3h；采用金刚石研磨片打磨掉合金块体表面碳化物层，超声波清洗后烘干待用。
4.根据权利要求1所述的新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中得到的Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的颗粒尺寸为5～200μm。
5.根据权利要求1所述的新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中Mo粉与Mo5SiB2+Mo5Si3合金粉的混合方式是以尼龙球磨罐及玛瑙磨球为球磨介质，利用行星式球磨机实现均匀混粉，球磨速度为50～100rpm、球料比为1:1、球磨时间为不小于5h。
6.一种由权利要求1-5任一项的制备方法制得的新型非平衡态Mo+Mo5SiB2+Mo5Si3基合金。
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