[发明专利]一种MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料、制备方法及其应用

说明书

一种MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料、制备方法及其应用，属于高温合金材料领域。MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料是由奥氏体基体相和大量弥散分布MC型碳化物增强相组成。其中，MC型碳化物增强相由外加高熔点纳米碳化物陶瓷颗粒诱导析出。制备方法为：1)将高熔点碳化物纳米粉与Ni微米粉球磨混合并用镍箔包裹，得到混合均匀的粉包。2)将粉包与去除表面氧化物和油污的镍基高温合金块料置于真空熔炼炉坩埚一同熔炼，在1500～1550℃高过热度条件下精炼2～8min，降温至1400～1470℃浇注成锭，得到MC型碳化物弥散增强镍基高温合金复合材料。本发明能解决宇航产品在高过热度浇注条件下，产品强度低，韧性差的问题；生产成本低，工艺简单，不受设备限制，适用于产业化生产。

技术领域

本发明属于高温合金材料领域，涉及一种MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

航天用镍基铸造高温合金的服役温度范围宽泛，可在-196℃～850℃长期稳定使用，并具有优异的低/高温强度、耐蚀性、冷热加工性、可焊性、高温抗蠕变以及高温抗氧化等优异性能，是航天制造业中用量最多的构件材料之一。随着液体动力系统需求的不断提高，液氧煤油火箭发动机需要短时间内燃烧大量推进剂，其推力、比冲、燃烧室压力不断增加。为克服严酷服役环境，发动机核心部件结构越来越复杂，制造难度系数不断增大。在宇航产品高温合金零部件的“尺寸大型化、整体化、精密化、结构复杂化”的发展趋势下，熔模精密铸造需要采用高浇注温度和高型壳保温温度，以便于充型。缓慢的冷速使晶粒和大尺寸骨架状碳化物有充分的时间生长。大尺寸骨架状的碳化物尖端成为局部应力集中点，易于裂纹形核和扩展，综合表现为中低温力学性能低。

近几十年内，研制出高强韧的镍基铸造高温合金一直以来都是科研工作者的关注重点，也有了诸多成果。高温合金熔模精密铸造用细化剂多为外加微米级颗粒，而外加纳米颗粒作为细化剂用于镍基高温合金熔模精密铸造的报道较少。具有代表性的有：杨金侠等人通过向高温合金中引入W-Co-Cr-C的预制中间合金得到了细晶组织的铸锭(专利申请号CN 110872652.A)。该方法需要电磁搅拌，并快速浇注，由于宇航产品多为复杂结构件，浇注通常在高浇注温度和适当时间保温的工艺下进行，细化剂会发生熔化，细化效果有限。对于复杂结构件，电磁搅拌甚至无法使熔体充分对流。黄政仁等人通过引入微米级TiC-Ti-C预制体，并通过原位反应制备TiC增强的镍基复合材料(专利申请号CN106319288.B)，然而原位生成的镍基复合材料其增强相尺寸与体积分数高度不可控，未反应完全的原料会作为杂质，严重影响镍基高温合金的性能。王瑞等人通过向K4169镍基铸造高温合金中引入微米级TiN成功制备了TiN增强的镍基复合材料[王瑞.Journal of Alloys and Compounds，762(2018)237-245]，但其并未就微米级TiN对材料塑形的影响做过探讨，而已有研究表明微米级增强颗粒与基体结合力差会导致复合材料的塑性降低。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料及其制备方法与应用。采用本发明制备的MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料在强度和韧性两个方面都有较大的提升，采用熔模精密铸造技术，成本低，无需改变原有宇航产品生产工艺，完美适应企业产业化需求。且高熔点纳米碳化物陶瓷颗粒成为MC型碳化物的析出衬底，使其体积分数增加，并在晶界和晶内弥散析出，形貌由粗大长链状转变为细小颗粒状。另外，高熔点纳米陶瓷颗粒和诱导析出的颗粒状MC型碳化物还充当形核剂细化晶粒，提高塑性；晶界和晶内大量弥散分布的颗粒状碳化物可以有效地阻止裂纹的形核与进一步扩展，帮助基体转移载荷，产生Orowan效应和载荷转移效应，增加强度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料，所述的MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料由奥氏体基体相和大量弥散分布的MC型碳化物增强相组成。其中，MC型碳化物增强相由外加高熔点纳米碳化物陶瓷颗粒诱导析出。

一种MC型碳化物增强镍基高温合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：