一种兼具高韧性高强度的超高温合金及其制备方法

本发明涉及一种兼具高韧性高强度的超高温合金及其制备方法。

背景技术：

1、随航空航天技术飞速发展，新一代航空发动机推重比不断提升，这就要求发动机热端部件具有更高的承温能力，涡轮叶片作为发动机的主要部件，需要其拥有更高的工作温度。而现服役的镍基高温合金其熔点在1350℃，很难满足新一代发动机涡轮叶片的使用要求，铌硅基合金由于其高熔点，低密度是目前最有应用潜力的高温合金之一，但是其较低的室温断裂韧性限制了它的实际应用。现有通过热加工工艺提高了合金铸锭的室温韧性，但由于热加工工艺较为复杂，操作难度及时间成本太高。因此，急需开发新的合金成分及手段来兼顾nb-si基合金强度和室温韧性的。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有铸态铌基高温合金室温断裂韧性及强度不匹配的问题，提出了一种兼具高韧性高强度的超高温合金及其制备方法。

2、本发明一种兼具高韧性高强度的超高温合金由nb、si、ti、zr、al元素和高温陶瓷相tac组成，化学式为nbsitizraltac，按以下原子百分比构成：si：15-20％，ti：15-25％，zr：15-25％，al：1％-5％，tac：1％-4％，余量为nb。

3、本发明一种兼具高韧性高强度的超高温合金的制备方法，按以下步骤进行：

4、一、按照所述原子百分比称取si、ti、zr、al、tac和nb，得到原材料；

5、二、将预处理后的原材料放置于熔炼炉的坩埚中，关闭炉门抽真空后充入高纯氩气，在氩气保护下进行熔炼，随后炉冷得到合金铸锭；

6、三、反复熔炼8遍，冷却后得到兼具高韧性高强度的超高温合金。

7、本发明具有如下有益效果：

8、一、在铌硅基合金中加入一定比例的同族ti、zr元素，ti元素可以提升铌硅基合金的室温断裂韧性，同时引入zr元素，不仅可以减少因低熔点元素ti引入而带来的高温性能损耗，而且zr元素可以来促进六方结构γnb5si3相的形成，较其他硅化物具有更高的韧性。同时ti和zr元素的同时引入有利于合金共晶组织的生成，进一步提升合金的断裂韧性。

9、二、本发明引入了高温陶瓷相tac,合金在保证强度的同时使合金的室温断裂韧性得到较大幅度提升，合金最大室温断裂韧性为14.79mpa·m1/2，较基体合金增加了46.29％，合金的强度也同步提升，最大室温压缩强度1621mpa，较基体合金增加了19.45％。

10、三、本发明的铸态合金采用电弧熔炼制备而成，制备流程较为简单，成本较低，无需后续热处理即可获得室温断裂韧性及强度匹配的铌基高温合金室。

技术特征：

1.一种兼具高韧性高强度的超高温合金，其特征在于，该超高温合金由nb、si、ti、zr、al元素和高温陶瓷相tac组成，化学式为nbsitizraltac，按以下原子百分比构成：si：15-20％，ti：15-25％，zr：15-25％，al：1％-5％，tac：1％-4％，余量为nb。

2.根据权利要求1所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金，其特征在于，所述超高温合金按以下原子百分比构成：41％nb、16％si、20％ti、20％zr、2％al、1％tac，化学式为nb-16si-20ti-20zr-2al-1tac。

3.根据权利要求1所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金，其特征在于，所述超高温合金按以下原子百分比构成：40％nb、16％si、20％ti、20％zr、2％a、2％tac，化学式为nb-16si-20ti-20zr-2al-2tac。

4.根据据权利要求1所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金，其特征在于所述超高温合金按以下原子百分比构成：38％nb、16％si、20％ti、20％zr、2％al、4％tac，化学式为nb-16si-20ti-20zr-2al-4tac。

5.如权利要求1所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金的制备方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：

6.根据权利要求5所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金的制备方法，其特征在于，所述预处理为：用sic砂纸打磨去除原材料表面氧化皮，再利用无水乙醇加超声波震动清洗，超声波功率为100-120w，频率为15-25khz，然后置于烘箱中烘干处理，烘干温度为55-65℃。

7.根据权利要求5所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金的制备方法，其特征在于步骤二中关闭炉门后先洗炉，洗炉方法为：抽取炉内气压为10pa后充入高纯氩气进行洗炉，充氩气10秒后关闭氩气阀继续抽取炉内气体，使炉内气压再次达为10pa，即完成。

8.根据权利要求7所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金的制备方法，其特征在于洗炉3次。

9.根据权利要求5所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金的制备方法，其特征在于步骤二中抽真空至4×10-3pa，然后充入高纯氩气至0.04mpa。

10.根据权利要求5所述的一种兼具高韧性高强度的超高温合金的制备方法，其特征在于熔炼时首先使电流保持在300a使原材料全部融化，然后升电流在600a，继续在600a下熔3min，再以每10秒降50a的速度降至0a。

技术总结一种兼具高韧性高强度的超高温合金及其制备方法，本发明涉及一种兼具高韧性高强度的超高温合金及其制备方法，本发明的目的是为了解决现有铌基高温合金室温断裂韧性及强度不匹配的问题，本发明一种兼具高韧性高强度的超高温合金，由Nb、Si、Ti、Zr、Al元素和高温陶瓷相TaC组成，化学式为NbSiTiZrAlTaC，制备方法为：将元素原材料进行熔炼前预处理，按元素熔点由低到高的次序依次放置于水冷铜坩埚中，抽真空并充入高纯氩气进行保护熔炼，随后炉冷得到合金铸锭。本发明制备的超高温合金通过加入高温陶瓷相实现了合金韧性强度的同步提升，具有高韧性高强度等特性。本发明应用合金制备领域。技术研发人员：陈瑞润,王晓伟,王琪,王琪斌,苏彦庆,吴士平,丁宏升受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1