[发明专利]一种Nb-Ti-Si-Zn合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用作燃气涡轮发动机热端部件的铌基高温合金材料，更特别地说，是指一种能够在1100～1400℃超高温环境下应用的Nb-Ti-Si-Zn合金材料。

背景技术

随着航空航天技术的高度发展，目前用作燃气涡轮发动机热端部件的镍基(Ni基)和钴基(Co基)高温合金材料已经接近其最高使用温度极限(～1100℃)，即工作温度已经达到或超过其熔点的85％，因此寻求使用温度更高的结构材料已成为迫切需求。

硅系(Si)金属间化合物以其熔点高、密度低得到了广泛关注，其中Nb-Si系超高温金属间化合物在1100～1400℃具有明显优势。Nb-Si系超高温合金材料通常由韧性的铌基固溶体相(Nbss)和脆性的铌硅化物相(主要为Nb₃Si、Nb₅Si₃)组成。硅化物的形态、分布直接关系到合金材料使用的力学性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够在1100～1400℃超高温环境下应用的Nb-Ti-Si-Zn的合金材料，通过在Nb-Si系超高温合金中加入Zn元素，使合金中铌硅化物的形态发生改变。本发明的Nb-Ti-Si-Zn的合金中存在有铌基固溶体相Nbss和铌硅化物相Nb₅Si₃，在18℃～25℃下的断裂韧性为17～28MPa·m^1/2，18℃～25℃下的压缩屈服强度为1100～1800MPa，1250℃～1350℃下的压缩屈服强度为200～500MPa。

本发明的一种Nb-Ti-Si-Zn合金材料，其该合金材料由50～78at％的Nb、1～20at％的Si、16～28at％的Ti和0.01～2at％的Zn组成，且上述各成分的原子百分含量之和为100％。

本发明的一种制备Nb-Ti-Si-Zn合金材料的方法，其包括有下列步骤：

第一步，按Nb-Ti-Si-Zn目标成分配比分别称取纯度为99.99％的Nb、纯度为99.999％的Si、纯度为99.9％的Ti和纯度为99.9％的Zn；

所述Nb-Ti-Si-Zn目标成分由50～78at％的Nb、1～20at％的Si、16～28at％的Ti和0.01～2at％的Zn组成，且上述各成分的原子百分含量之和为100％；

第二步，将第一步称取的原材料放入非自耗真空电弧熔炼炉里；先抽真空度至小于5×10^-5Pa，然后充入氩气使真空度至1.01×10⁵Pa，最后在氩气的保护下，在熔炼温度2700～3000℃下反复熔炼5～6次，得到成分均匀的Nb-Ti-Si-Zn高温合金锭材。

本发明的Nb-Ti-Si-Zn合金材料的优点是：通过添加Zn，可以破坏了硅化物的网状连接，同时抑制了颗粒状铌硅化物的析出，大幅度的改善了合金的性能。

附图说明

图1是实施例1制得的Nb-22Ti-5Si-1Zn的超高温合金的显微组织图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种能够在1100～1400℃超高温环境下应用的Nb-Ti-Si-Zn合金材料，该合金材料由50～78at％的Nb、1～20at％的Si、16～28at％的Ti和0.01～2at％的Zn组成，且上述各成分的原子百分含量之和为100％。

本发明采用非自耗真空电弧熔炼方法制备Nb-Ti-Si-Zn超高温合金材料，包括有下列步骤：

第一步，按Nb-Ti-Si-Zn目标成分配比分别称取纯度为99.99％的Nb、纯度为99.999％的Si、纯度为99.9％的Ti和纯度为99.9％的Zn；

第二步，将第一步称取的原材料放入非自耗真空电弧熔炼炉里；先抽真空度至小于5×10^-5Pa，然后充入氩气使真空度至1.01×10⁵Pa，最后在氩气的保护下，在熔炼温度2700～3000℃下反复熔炼5～6次，得到成分均匀的Nb-Ti-Si-Zn高温合金锭材。

对Nb-Ti-Si-Zn高温合金采用JEOL JXA-8100型电子探针显微镜(EPMA)进行微观组织分析。

对Nb-Ti-Si-Zn高温合金采用深圳新三思公司的CMT5504型万能试验机进行室温(18～25℃)三点弯曲载荷-位移测试，在室温(18～25℃)的断裂韧性为17～28MPa·m^1/2。