[发明专利]一种具有定向凝固组织特征的Nb-Si合金制备方法

说明书

本发明属于高温结构材料的制备技术领域，特别涉及一种送粉式激光快速成形技术，特别涉及一种具有定向凝固组织特征的Nb‑Si合金制备方法。本发明采用双通道送粉式激光快速成形技术制备具有定向凝固组织特征的Nb‑Si二元合金，以市售纯元素粉末为原料，无需特别制备球形粉末或预合金化粉末，原材料准备过程简单。采用双通道送粉法，能有效避免Nb粉和Si粉由于密度不同而导致的混合不均匀现象，进而对合金成分产生影响。此外Nb粉和Si粉在激光作用下原位反应，产生在粉末原位反应效应，能进一步细化合金显微组织。合金由Nb固溶体相和Nb₃Si相两相组成，平行于成形方向的显微组织呈现Nb固溶体相和Nb₃Si相定向交替排列特征，相尺寸仅为传统定向凝固工艺制备的Nb‑Si二元合金的1/10左右。

技术领域

本发明属于高温结构材料的制备技术领域，特别涉及一种送粉式激光快速成形技术，特别涉及一种具有定向凝固组织特征的Nb-Si合金制备方法。

背景技术

Nb-Si合金是未来高性能燃气涡轮发动机材料最具潜力的候选者之一，有望率先应用于先进航空燃气涡轮发动机中某些高温固定部件和高温转动部件。

目前，用于制备Nb-Si基超高温合金的定向凝固工艺包括：Czochralski定向凝固(C-DS)、电子束定向凝固(EBDS)、光悬浮定向凝固(OFZ)和整体定向凝固(IDS)。

C-DS制备材料采用提拉法，在制备合金的过程中，熔体不断减少，这使得材料的生长速率难以准确控制，故目前基本不用该方法制备Nb-Si基超高温合金。

在EBDS制备材料的过程中，其熔体的稳定是靠自身的重力和表面张力维持的，因而制备的试样形状简单，尺寸较小，能耗高；电子束的产生需要高真空，则高饱和蒸气压的元素极易挥发，造成成分不精准，这些都限制了其在Nb-Si基超高温合金方面的应用。

OFZ因无坩埚污染和对真空度的要求比较低，而成为制备Nb-Si基超高温合金的主要方法，然而OFZ具有高耗能，制备的试样尺寸小，形状不规则等缺点，用该法制备Nb-Si基超高温合金有逐渐被新的定向凝固工艺取代的趋势。

IDS制备主要原理是把制备的合金母材一次完全熔化在特制的陶瓷坩埚内，保温一段时间使合金熔体成分均匀，然后以一定的速率抽拉坩埚，让坩埚和熔体一起进入液态金属或其他冷却介质中，从而实现材料的定向生长，然而高活性Nb-Si合金熔体由陶瓷坩埚约束，故难免会带入氧等杂质。

此外，上述几种定向凝固方法制备的Nb-Si合金组织较粗大，力学性能难以保证。

发明内容

本发明为克服上述问题，提供了一种利用高能激光束为熔化热源，制备具有细小定向凝固组织特征的Nb-Si二元合金的方法。

本发明的技术解决方案是，

以纯Nb粉末和纯Si粉末为原料，采用双通道送粉式激光快速成形技术制备具有定向凝固组织特征的Nb-Si合金，合金由Nb基固溶体相和Nb₃Si相两相组成，显微组织呈现Nb固溶体相和Nb₃Si相定向交替排列特征，制备过程包括以下步骤：

(1)分别将市售纯Nb粉和纯Si粉通过金属筛筛分，获得粒度均匀的纯Nb粉和纯Si粉；

(2)将步骤(1)获得的纯Nb和纯Si粉末分别置于激光快速成形系统的两个独立的送粉器中，以高纯氩气为载粉气流和保护气；

(3)按照所需制备的Nb-Si二元合金成分，调节纯Nb粉末和纯Si粉末的送粉速率；

(4)激光和粉末同轴送出，激光和粉末同步移动，且仅在一个方向上扫描一个道次，在激光的作用下，Nb，Si粉末在成形基板上熔化形成熔池，并随着粉末和激光向前运动，熔池凝固，得到一层沉积层；