[发明专利]一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料及其制备方法。

背景技术

航空航天动力系统几十年的发展历史证明，动力系统推重比的提高强烈地依赖于工作温度的提高，热端关键部件的工作温度越高，动力系统的性能越好，效率越高，航空动力系统推重比与热端关键部件材料工作温度有很大的关系。高温材料的发展对航空航天动力系统性能的提高做出了极大的贡献。经过几十年的努力镍基超合金的使用温度提高了125℃，其使用温度为1150℃。这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各方面共同发展所作出的共同贡献，进一步提高镍基超合金，即超过第四代镍基超合金单晶的使用温度非常困难，这是因为大多数先进超合金的熔点低于1350℃。由于材料制备方法和随后热处理工艺的不同，其化学成分在超合金的偏聚可能导致其初始熔化温度低于1270℃。同时热障涂层和单晶的相互作用区域的熔化温度可能低于1250℃。因此，即使有限的提高镍基超合金使用温度也存在明显的瓶颈。

Nb具有高熔点(2468℃)和良好的室温塑性及韧性，热膨胀系数与铌硅化合物具相近。另外，Nb-Si系复合材料有宽的Nb₅Si₃和铌固溶体两相区，可通过共晶和共析反应产生微观组织变化制备复合材料。因此，由韧性较好的铌和铌硅化合物组成的复合材料被认为是最有开发应用前景的超高温结构材料。然而，这些复合材料微观组织由大量金属间化合物相组成硬度很高并且韧性较差，即使在高温下都难以加工成形。目前，真空电弧熔炼-铸造法是制备Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料常用的方法，利用这种方法，所得材料的铸态组织由树枝状的初生铌固溶体和Nb₃Si组成。由于Nb₃Si处于亚稳平衡态，因此铸态材料常要进行高温长时间的热处理。而且，为了使初生铌固溶体树枝晶孤立细化并消除材料中的铸造缺陷，热处理的材料还要进行热挤压处理，这种方法存在能耗高、周期长等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，该Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料在室温条件下的抗拉强度为410MPa～520MPa，在1200℃条件下的抗拉强度为350MPa～500MPa，在1500℃条件下的抗拉强度为65MPa～85MPa、拉伸延伸率可达67％以上。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si10％～20％，Ti5％～30％，W3％～15％，Hf1％～10％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si13％～17％，Ti10％～25％，W8％～12％，Hf3％～7％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的一种Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：Si17％，Ti20％，W12％，Hf6％，余量为Nb和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉置于球磨机中，采用湿法球磨的方式混合均匀，然后在真空条件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料；

步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于放电等离子烧结炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa，温度为1400℃～1500℃，压力为30MPa～60MPa的条件下放电等离子烧结5min～15min，随炉冷却后得到Nb-Si-Ti-W-Hf复合材料。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，所述钛粉的质量纯度不小于99.99％，所述钨粉的质量纯度不小于99.9％，所述铪粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不小于99.9％。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述硅粉的粒径不大于5μm，所述钛粉的粒径不大于3μm，所述钨粉的粒径不大于5μm，所述铪粉的粒径不大于10μm，所述铌粉的粒径不大于10μm。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述湿法球磨采用的分散剂为无水乙醇，所述无水乙醇的体积为硅粉、钛粉、钨粉、铪粉和铌粉质量之和的0.5～1倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g。