[发明专利]一种含Sc定向凝固Nb-Si基多元合金

说明书

本发明公开了一类可以通过定向凝固制备航空涡轮发动机或者航天发动机热端部件如工作叶片、导向叶片、尾喷管、燃烧室等的Nb‑Si基多元合金。通过合金组分设计，结合定向凝固技术显著改变了这类合金的组织特征，有效地控制合金的微观组织和化学成分，消除大部分横向晶界，获得低缺陷的铸件，通过合适的热处理，该合金具有优良的室温塑性、室温韧性、高低温强度。

技术领域

本发明属于超高温合金材料领域，涉及一类可以用于制备在航空、航天领域应用的一系列热端部件的Nb-Si基多元合金，具体为一种定向凝固Nb-Si基多元合金及其制备方法。

背景技术

新一代高推重比航空发动机热端部件需要承温能力更高的高温结构材料。Nb-Si基合金具有高熔点(≥1750℃)、低密度(≤7.2g/cm³)和良好的加工性能，目标使用温度达到1200～1400℃，成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料，也是当前材料领域的研究热点之一。

新一代高推重比航空发动机热端部件对超高温结构材料性能要求十分苛刻，必须在高温强度、蠕变抗力、室温韧性、抗氧化性和密度等方面达到综合性能平衡。从材料组织角度上讲，上述强度、韧性和环境稳定性等关键性能应该由不同相或组织来承担，需要应用多相组织匹配理论设计以满足材料综合性能平衡的要求。Nb-Si基合金就是一种具有上述多相组织特点的新一代超高温结构材料。Nb-Si基合金的基本组成相包括塑韧性的Nb基固溶体(Nbss)相和在高温下保持高强度的金属间化合物Nb₅Si₃相，Nbss相提供室温韧性，而Nb₅Si₃相提供高温强度、蠕变抗力和高温抗氧化性能。Nbss/Nb₅Si₃双相组织是Nb-Si基合金强韧性和抗氧化性匹配的组织基础，通过优化Nbss/Nb₅Si₃组织，使Nb-Si基合金既保持一定的室温韧性，又具有良好的高温强度和抗氧化能力。对于Nb-Si基合金，关键性问题是如何通过合金成分设计和工艺优化来实现Nb-Si基合金在室温和高温下的强韧化匹配。

发明内容

本发明正是针对Nb-Si基多元合金高低温力学性能强韧化难以匹配的问题，提供了一类Nb-Si基多元合金，通过合理的组分优化设计，以及定向凝固法得到的横向晶界极少的柱状晶组织，使合金的高低温强韧化匹配性显著改善，可应用于一级涡轮叶片部件、燃烧室等涡轮发动机热端部件。

本发明完整的技术方案包括：

一种定向凝固Nb-Si基多元合金，其特征在于，所述合金包括下列元素：30％≤Nb≤70％，12％≤Si≤30％，16％≤Ti≤28％，1％≤Cr≤24％，1％≤Al≤10％，2％≤Hf≤10％，0<Sc≤5％，以上元素含量均为原子百分比。

进一步的，还包含以下含量的元素：0<Y≤5％，以上元素含量为原子百分比。

进一步的，还包含以下含量的元素：0<Zr≤10％，以上元素含量为原子百分比。

进一步的，还包含以下含量的元素：0<Sr≤5％，以上元素含量为原子百分比。

进一步的，还包含以下含量的元素：0≤Dy≤3％，0≤Ce≤3％，0≤Ho≤3％，0≤B≤8％，0≤Ge≤8％，0≤Mo≤8％，0≤Sn≤6％，0≤W≤8％，0≤Ta≤8％，0≤V≤8％，0≤Re≤5％，0≤Rh≤5％，以上元素含量为原子百分比。

进一步的，所述的合金熔炼后，经定向凝固处理，再经热处理获得，具体的工艺包括如下步骤：

(1)通过真空非自耗电弧熔炼进行母合金制备；