[发明专利]非金属元素合金化的片层铌钼硅基原位复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铌-钼-硅高温合金材料，更特别地说，是指一种具有片层结构的、非金属元素合金化的、铌-钼-硅基原位复合材料，以及采用光悬浮区熔定向凝固方法制备出具有片层结构的铌钼硅基原位复合材料。

背景技术

在能源、石油化工、航空航天等领域中大量使用承温能力高的高温合金材料，例如航空涡轮发动机的叶片材料普遍采用镍基高温合金，目前最先进的第三代镍基单晶高温合金的使用温度达到1150℃，然而这已经接近了镍基高温合金的熔点1350℃，镍基单晶高温合金继续发展的空间已经不大。为了进一步提高涡轮发动机的性能，并提高燃烧效率，减少能源消耗和废气排放，务必需要开发出承温能力更高的叶片材料。

采用铸造-热处理方法制得的二元铌硅合金由铌固溶体(Nb_ss)和金属间化合物Nb₅Si₃两相组成。二元铌硅合金首先在1920℃发生共晶反应：L→Nb_ss+Nb₃Si，然后在1 770℃发生共析反应：Nb₃Si→Nb_ss+Nb₅Si₃，通过两步反应得到的Nb_ss和Nb₅Si₃两相由于反应复杂其形态较难控制。

使用物理气相沉积的方法可以得到金属铌和Nb₅Si₃两相组成的片层结构，但这种方法得到的铌硅复合材料存在以下问题：晶粒细小，蠕变抗力弱；两相非热力学平衡，组织不稳定；制备工艺较复杂，成本偏高。

发明内容

本发明的Nb-Mo-Si原位复合材料，由30～87at％的铌(Nb)、3～40at％的钼(Mo)和10～30at％的硅(Si)组成。其采用了光悬浮区域熔炼定向凝固制备，制得的Nb-Mo-Si原位复合材料具有(Nb，Mo)_ss和(Nb，Mo)₅Si₃两相，且有片层体积百分数大于50％的片层结构。Nb-Mo-Si原位复合材料在18～25℃的压缩强度为1200～2000MPa，在1200～1500℃的压缩强度为300～900MPa；在1200℃、应力为170MPa、蠕变处理100 h的条件下，蠕变变形量为0.8～1.0％。

本发明的一种非金属元素合金化的Nb-Mo-Si原位复合材料，是在Nb-Mo-Si原位复合材料中通过添加0.1～10at％的硼(B)来提高Nb-Mo-Si-B合金在1200～1500℃高温的强度。采用了光悬浮区域熔炼定向凝固制备，制得的Nb-Mo-Si-B原位复合材料具有(Nb，Mo)_ss和(Nb，Mo)₅Si₃两相，且B固溶在(Nb，Mo)₅Si₃相中，具有片层体积百分数大于50％的片层结构。

本发明的一种非金属元素合金化的Nb-Mo-Si原位复合材料，是在Nb-Mo-Si原位复合材料中通过添加0.1～10at％的锗(Ge)来提高Nb-Mo-Si-Ge合金在1200～1500℃高温的抗蠕变性。采用了光悬浮区域熔炼定向凝固制备，制得的Nb-Mo-Si-Ge原位复合材料具有(Nb，Mo)_ss和(Nb，Mo)₅(Si，Ge)₃两相，且具有片层体积百分数大于50％的片层结构。

附图说明

图1A是Nb₇₂Mo₁₀Si₁₈合金纵向剖面背散射照片。

图1B是Nb₇₂Mo₁₀Si₁₈合金横向剖面背散射照片。

图2是Nb₇₀Mo₁₀Si₁₈B₂合金纵向剖面背散射照片。

图3是Nb₇₂Mo₁₀Si₁₆Ge₂合金纵向剖面背散射照片。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。