[发明专利]一种超高温Nb-Si基合金的水冷铜坩埚定向凝固方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属定向凝固方法，具体涉及一种超高温Nb-Si基合金的定向凝固方法。

背景技术

随着航空航天等技术的发展，对高温结构材料的要求越来越高。美国前空军Wright实验室于1988年提出IHPTET计划，以刺激对先进涡轮发动机材料技术的研究，旨在将当时生产的涡轮发动机的推重比提高一倍左右。新一代的航空发动机推重比要求15以上，其涡轮前进口温度达到1800-2050℃，提高涡轮发动机的推重比有两个方法：提高推力和降低涡轮结构材料的密度。

提高推力的主要方法是提高航空发动机高压涡轮进口温度。自上世纪五十年代以来，Ni基高温合金一直是航空发动机热端部件的主流，Ni基高温合金零部件占现代航空发动机总重的40-50%。在考虑现有高温合金叶片的冷却和涂层技术的前提下，高压涡轮导向叶片和工作叶片的承高温能力必须达到1200-1400℃，而Ni基高温合金的熔点大约为1350℃，这很难满足新一代航空发动机高压涡轮叶片和工作叶片的承高温能力的要求，因此，必须研究新型的耐高温结构材料体系。

Nb₅Si₃不仅具有较高的熔点和较低的密度，而且还具有良好的抗氧化性能和导电性能。Nb₅Si₃的熔点为2480℃，热膨胀系数为6.1×10^-6K^-1，而Nb的熔点是2472℃，热膨胀系数为7.3×10^-6K^-1。因而Nb和Nb₅Si₃具有良好的两相兼容性；Nb的密度为8.55g.cm^-3，Nb₅Si₃的密度为7.16g.cm^-3，故Nb/Nb₅Si₃自生复合材料的密度比Ni基合金密度低；Nb₅Si₃具有较高的强度和刚度。然而由于Nb5Si3的本征脆性，Nb/Nb5Si3自生复合材料的室温断裂韧性低，这大大地限制了其工程应用；Nb在高温会出现pesting氧化，故Nb/Nb5Si3组成的自生复合材料高温抗氧化性能差。

定向凝固是在控制铸件内部传热、传质和流动的条件下，金属（或晶体类材料）能够沿固定生长方向进行凝固或结晶的过程。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向平行的一组平行柱状晶，如果能够适当控制晶粒的生长过程，例如抑制外来生核，则晶体可以长成只有一个晶粒的结晶组织，称为单晶体。由此可见定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前这种限制性凝固技术的发展，一方面为现代凝固技术的发展提供强有力的理论支撑，例如关于许多凝固现象都要依赖于定向凝固方法来系统研究，另一方面为工程上提供大量性能优异和实用化的结构和功能材料，如定向或单晶的高温合金航空叶片、半导体硅电子材料、磁致伸缩材料、晶体发光材料、金属间化合物及各种金属基及无机复合材料等等。定向凝固技术的优越性直接表现在可以大范围控制凝固速率尺度，即定向凝固时材料的冷却速率可由10^-4K/S到10⁴K/S大范围变化，因此能从制备极慢的平衡组织到远离平衡的超细或亚稳态组织状态的大范围调整，又由于材料的组织状态与性能指标密切相关，所以定向凝固为材料成形制备过程提供了广泛的空间。

为了细化定向凝固组织、减少凝固偏析和提高凝固速率，近年来研究了各种新型的定向凝固技术。包括：高梯度定向凝固方法、深过冷定向凝固方法、特种合金的电磁约束成形定向凝固方法、单晶连铸定向凝固方法、晶向控制定向凝固方法、高强韧陶瓷材料的定向凝固方法，上述方法均不能用于Nb-Si基合金的定向凝固，这是由于Nb-Si基合金自身的特性，在对其开展定向凝固时一个关键的问题就是如何避免容器材料（坩埚和铸型）对合金的污染，以便保持合金化学成分的准确性，消除物理和化学夹杂物对定向凝固铸件的侵蚀，保证合金经定向凝固制备后仍然具有较高的物理和力学性能，适于在特殊工业装备和场合的应用。

目前研究Nb-Si基合金的定向凝固技术主要有光悬浮定向凝固技术（OFZ），电子束定向凝固技术（EBDS），整体定向凝固技术（IDS）和水冷铜坩锅的Czochralski定向凝固技术（C-DS）。然而上述方法仍然存在定向凝固过程金属易污染、定向凝固效率较低、试样形状单一、组织形态不易调整以及合金的综合理力学性能差的缺陷。