[发明专利]定向凝固铌硅基合金的热处理方法

说明书

技术领域

本发明总地涉及热处理技术，更具体地涉及定向凝固铌硅基合金的热处理工艺。

背景技术

燃气涡轮发动机在航空航天、能源动力、交通运输等领域发挥着举足轻重的作用，其能源利用效率跟高温结构材料的使用温度密不可分。目前涡轮叶片材料普遍采用镍基单晶高温合金，最高使用温度已经超过1100℃，达到了纯镍熔点的85%，再提升的潜力不大，因此需要开发新一代的高温结构材料。涡轮叶片在高温高压高蚀的恶劣条件下工作，叶片材料必须具备一系列优异的综合性能，包括高温强度、低温塑韧性、抗氧化性、抗蠕变性、抗疲劳性、加工成型性等。

已知铌硅基合金熔点高，密度低。铌硅基合金由Nb和Nb₅Si₃两相组成，Nb₅Si₃相有三种同素异构体：αNb₅Si₃、βNb₅Si₃、γNb₅Si₃，其中βNb₅Si₃和γNb₅Si₃是高温稳定相，αNb₅Si₃是低温稳定相。在铌硅基合金的两相中，Nb相塑韧性较好，Nb₅Si₃相高温强度、抗蠕变性、抗氧化性较好，两者的结合可以获得较好的综合性能。因此，铌硅基合金成为替代镍基高温合金的候选材料，可用于在1200-1500℃高温环境下工作的涡轮叶片等热端部件。通过添加合金化元素还可以优化其综合性能，目前主要形成两种体系的铌硅基合金，包括高韧型的Nb-Si-Ti系和高强型的Nb-Si-Mo系。

铌硅基合金的加工工艺包括电弧熔炼、感应熔炼、定向凝固、热挤压、电子束物理气相沉积等。对于制备涡轮叶片，通常采用定向凝固熔模铸造工艺，近净成型生产出零件。

铌硅基合金室温断裂韧性较差，成为制约其应用的主要障碍之一。在定向凝固过程中，抽拉速度是重要的工艺参数，高抽拉速度会引起疏松等缺陷，因此定向凝固合金通常采用较低的抽拉速度，但低抽拉速度又会造成铸件晶粒粗大。晶粒度大小对合金断裂韧性有较大影响，晶粒越细小，断裂韧性越高。定向凝固铌硅合金晶粒粗大，晶粒尺寸一般为1-3mm，断裂韧性较低，小于

发明内容

因此，提供一种能够细化晶粒并提高断裂韧性的热处理方法将有利于定向凝固铌硅基合金的工程化应用。

本发明的主旨思想是采用热处理（甚至多个循环），使铌硅基合金的Nb₅Si₃相连续发生同素异构相变，在相变过程中晶粒尺寸逐渐减小，断裂韧性随之升高。

为此，根据本发明的一个方面，提供一种定向凝固铌硅基合金的热处理方法，包括如下步骤：1）将定向凝固铌硅基合金置于惰性气体环境下加热到1750～1850℃，并保温5～20小时；2）随炉冷却降温到1000～1700℃，保温2～10小时。

优选地，还包括将步骤1）和步骤2）循环进行若干次的步骤，比如2～6次。

优选地，将定向凝固铌硅合金加热到1750～1800℃并保温5～10小时。

优选地，随炉冷却降温到1500～1700℃，保温2～5小时。

进行上述热处理后随炉冷却到室温,定向凝固铌硅基合金的晶粒尺寸为100～500μm，断裂韧性达到

总之，上述热处理工艺在保持强度需求（强度下降幅度不大）的情况下显著细化了定向凝固铌硅基合金的晶粒尺寸，断裂韧性可提高约一倍，因而该工艺优化了铌硅基合金的综合力学性能。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

下面通过实施方式1~3来详细介绍本发明。需要说明的是，实施方式1~3是针对不同类型的铌硅基合金分别进行7个实施例的热处理并和未经热处理的比较例作对比。

实施方式1