[发明专利]一种改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法

说明书

技术领域

本发明属于超高温合金材料领域，涉及一种改善超高温合金的高温抗氧化性的方法，特别涉及一种利用激光表面重熔技术改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法。

背景技术

随着航空飞行器向着长航时、高航速、高适航性以及高安全性的方向发展，对航空发动机的要求也越来越高，反映在发动机的具体指标上就是更高的推重比、更长的大修周期。发动机推重比和工作效率的提高，对最为核心的发动机叶片材料的性能要求也随之而提高。目前广泛应用于航空发动机涡轮叶片的是镍基合金，具有优异的强度、韧性、抗氧化性和疲劳性能等综合性能，然而随着推重比的进一步增加，镍基高温合金的使用温度已经超过1100℃，达到了合金熔点的80％以上，这严重制约着航空发动机性能的进一步提升，因而有必要研发承温能力更强的新型高温结构材料。

Nb-Si基超高温合金，也称Nb-Si基自生复合材料，具有高熔点(>1750℃)、低密度(6.6-7.2g/cm³)、良好的高温强度及一定的断裂韧性、疲劳性能和可加工性等优点，成为极具竞争力的新型高温结构材料之一。Nb-Si基合金主要由Nb基固溶体(Nb_SS)和金属间化合物Nb₅Si₃构成的。根据复合材料的设计原理，Nb_SS提供室温塑性和韧性，Nb₅Si₃相提供高温强度和抗氧化性能。同时，向合金中添加Ti、Cr、Al和Hf等合金元素而形成Nb-Si基多元合金，可以进一步提高其室温韧性、高温强度和抗氧化性等综合性能。

虽然Nb-Si基多元合金具有优异的力学性能，但其在高温条件下较差的抗氧化性能是制约该合金实际应用的一大瓶颈。现阶段采用的提高Nb-Si基多元合金的抗氧化性能的方法为添加合金化元素和使用抗氧化涂层。添加Cr、Ti和Hf等元素可提高合金的高温抗氧化性，但不利于合金的高温力学性能的提高；抗氧化涂层(如Mo-Si-B涂层)可在一定程度上提高合金的抗氧化性，但因涂层与合金属于异质结合，存在剥落的风险。因此，仍需继续研发一种有效改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法，以保证作为航空发动机叶片材料的Nb-Si基多元合金在服役过程中的可靠性。

发明内容

本发明正是针对Nb-Si基多元合金在高温条件下氧化性较差的问题，在兼顾力学性能的前提下，提供了一种改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法。利用高能激光束使Nb-Si基多元合金表面熔化，快速凝固后形成细小、均匀的合金组织，高温环境中能够抑制外界氧向合金内部扩散，从而通过组织细化提高合金的高温抗氧化性，且所形成表面重熔层与合金成分相同，并以冶金方式结合，服役过程中不容易剥落。同时，由于Nb-Si基多元合金韧性较差，快速凝固条件下容易产生裂纹，本发明采用低能量密度条件下的激光束对合金进行预热，可有效抑制裂纹的产生，以保证合金表面重熔层的致密性。

本发明提供了一种改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法，包括以下步骤：

(1)以一定原子比的Nb-Si基多元合金元素为合成原料，制备Nb-Si基多元合金试样；

(2)将Nb-Si基多元合金试样固定在工作台上，密封装置抽真空后充入保护气体进行气氛保护；

(3)激光束按照预先设定的扫描路径和工艺参数，对Nb-Si基多元合金试样表面进行预热扫描；

(4)预热结束后，修改工艺参数，使激光束按照预先设定的扫描路径对Nb-Si基多元合金表面进行扫描，合金表面熔化并凝固，形成重熔层；

(5)关闭系统，待部件冷却至室温时取出，整个制备过程是在保护气氛中进行的；

(6)将未经表面重熔处理和经激光表面重熔处理的样品置于氧化铝坩埚中，再放入高温电阻炉中静态氧化实验，所有试样在氧化试验之前都将精确的测量尺寸；

(7)氧化试验结束后，利用扫描电镜观察氧化后试样的截面，比较未经表面重熔处理和经过激光表面重熔处理样品的抗氧化性能的差异。

步骤(1)中所选用的Nb-Si基多元合金由非自耗真空电弧熔炼制备而得。

步骤(3)中，表面重熔之前，利用激光束对试样表面进行预热，具体的预热参数：激光器功率250～400W，扫描速度1500～2000mm/s，扫描间距0.10～0.25mm，扫描次数5～10次。