[发明专利]一种Nb‑Si‑Ti‑W‑Cr合金棒材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金材料制备技术领域，具体涉及一种Nb-Si-Ti-W-Cr合金棒材及其制备方法。

背景技术

先进航空发动机需要一种超过目前镍基超合金使用温度极限的新材料。这种新材料需具有高熔点、低密度、1300～1400℃抗氧化和优异的高温强度等特点。难熔金属具有熔点高、高温强度高和弹性模量大等特点，人们又开始重新考虑难熔金属在航空发动机上的应用。在所有的难熔金属中，铌最有可能在航空发动机上得到应用。铌和其它强化元素都有高的固溶极限。铌在室温下具有良好的延性和相对低的密度(8.56g/cm³)，但是在单相情况下，大幅提高其力学性能以达到在高推重比发动机上应用的前景有限，并且铌的抗氧化性能极差，进一步限制了其使用范围。然而Nb₅Si₃金属间化合物具有高温抗氧化性能，并且具有极高的高温强度。Nb-Si系合金由原位自生的Nb₅Si₃金属间化合物相和铌固溶体(Nbss)相复合构成，该材料具有高熔点、低密度、高强度和较好的抗氧化性能，最有可能作为下一代先进喷气发动机的候选材料。然而，这些Nb-Si系合金的一个普遍特点是室温下非常脆，这是由于采用传统方法制备的Nb-Si系合金微观组织由粗大的树枝状金属间化合物和铌固溶体(Nbss)组成。这种树枝状金属间化合物相和Nbss相热膨胀系数及力学性能不匹配，很容易产生微裂纹，使室温断裂韧性很低，在室温条件下没有塑性，难以加工成形；同时也降低了合金材料的高温抗拉强度，恶化了材料的抗氧化性能。因此，必须通过多成分合金化及工艺控制，获得具有致密、均匀、颗粒细小的合金显微组织来克服Nb-Si系合金室温脆性等缺点，使Nb-Si系合金室温塑韧性、高温强度和抗氧化性能达到良好平衡。

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的不足，提供一种Nb-Si-Ti-W-Cr合金棒材，该Nb-Si-Ti-W-Cr合金棒材的密度为6.8g/cm³～7.5g/cm³，氧含量为76ppm～93ppm，室温抗拉强度为573MPa～756MPa、延伸率为2.1％～6.7％，1400℃的抗拉强度为159MPa～315MPa，在1400℃空气环境中氧化100h后材料损失为0.27mg/cm²～0.12mg/cm²，该Nb-Si-Ti-W-Cr合金棒材具有密度低、强度高和抗氧化等特点，能够在1400℃空气环境中使用。

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-Cr合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Si 2.4％～6.7％，Ti 5％～25％，W 5％～15％，Cr 2％～8％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的一种Nb-Si-Ti-W-Cr合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Si 3.1％～6.1％，Ti 10％～20％，W 7％～15％，Cr 3％～7％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的一种Nb-Si-Ti-W-Cr合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Si 3.7％，Ti 15％，W 15％，Cr 5％，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-Cr合金棒材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将铌粉、硅粉、钛粉、钨粉和铬粉混合均匀，真空烘干后得到混合粉末；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述坯料置于真空烧结炉中，在真空度不大于5×10^-1Pa，温度为1500℃～1600℃的条件下保温2h～3h进行烧结处理，随炉冷却后得到烧结体；

步骤三、将步骤二中所述烧结体置于电子束熔炼炉中，在真空度不大于1×10^-2Pa的条件下电子束熔炼2～5次，自然冷却后进行扒皮处理，得到铸锭；所述电子束熔炼的电流为1A～2A，所述电子束熔炼的电压为60kV～80kV；

步骤四、将步骤三中所述铸锭在温度为1200℃～1400℃，挤压比为5～7的条件下进行挤压，自然冷却后进行扒皮处理，得到半成品棒坯；

步骤五、将步骤四中所述半成品棒坯在挤压温度为1100℃～1300℃，挤压比为4～6的条件下进行挤压，自然冷却后进行扒皮处理，得到Nb-Si-Ti-W-Cr合金棒材。