一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金及其制备方法与流程

本发明属于高温合金，具体涉及一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着航空航天技术的不断发展，燃气涡轮发动机的承温能力以及推重比被提出更高要求，而作为发动机主要材料的镍基高温合金工作温度已达1150℃，接近其使用极限，因此研发一种新型的超高温结构性材料迫在眉睫。

2、难熔金素nb及其金属间化合物由于其极高的承温能力以及较低的密度受到广泛的关注(以nb5si3为例，其熔点高达2518℃，密度仅为7.16g/cm3)。但是目前较低的室温断裂韧性仍是限制铌系合金应用的主要技术难题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金及其制备方法，通过引入间隙元素b,以调控合金中si元素的扩散速率，改变合金的凝固路径，并利用zr元素来替代合金中常用的ti元素，实现了强度、韧性的同步提升。

2、采用的技术方案为：

3、一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金，所述铌基高温合金包括nb、si、zr和b元素，化学式为nbsizrb，按以下原子百分比构成：si为14％～18％，zr为20％～30％，b为1％～4％，余量为nb。

4、作为进一步的优选，所述铌基高温合金按以下原子百分比构成：59％的nb、16％的si、24％的zr和1％的b。

5、作为进一步的优选，所述铌基高温合金按以下原子百分比构成：58％的nb、16％的si、24％的zr和2％的b。

6、作为进一步的优选，所述铌基高温合金按以下原子百分比构成：58％的nb、16％的si、24％的zr和3％的b。

7、作为进一步的优选，所述铌基高温合金按以下原子百分比构成：56％的nb、16％的si、24％的zr和4％的b。

8、一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金的制备方法，包括如下步骤：

9、(1)准备工作：将块状或颗粒的nb、si、zr和b单质按照相应的原子百分比称取，并进行预处理；

10、(2)真空电弧熔炼：按照元素熔点由低到高的次序依次放置于真空熔炼炉的铜坩埚中，抽真空后通入氩气进行保护熔炼；

11、启动电源，进行引弧，熔炼时电流保持在600～700a，待呈熔融态后继续在600～700a下熔2～4min，然后以每10秒降50a的速度降至0a；

12、(3)反复熔炼：将真空熔炼炉的铜坩埚翻转180°后再次熔炼，重复熔炼至少3次，使各元素充分熔化均匀，最终得所述铌基高温合金。

13、优选的，所述步骤(1)中，nb、si、zr和b单质的纯度均大于99.9％。

14、优选的，预处理时，对样品采用砂纸进行打磨和/或酒精超声波清洗5～10min，；清洗完再烘干处理。

15、作为进一步的优选，超声波清洗功率为110～130w，频率为20～30khz。

16、优选的，所述步骤(2)中，抽真空的步骤为，关闭真空腔，先打开预抽阀及机械泵抽取炉内气体至示数为-0.01mpa后充入氩气洗炉，充氩气10秒后关闭氩气阀继续抽取炉内气体，当压力表示数再次达-0.01mpa后，关闭预抽阀，开主抽阀及机械泵继续抽真空至5*10-3pa，然后充入高纯氩气至-0.05mpa，开始熔炼。

17、优选的，所述步骤(3)中，反复熔炼的次数为5～6次。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、本发明引入了间隙元素b，可以调控合金中si元素的扩散速率，改变了合金的凝固路径，同时合金中软相nbss的si元素含量被有效限制；同时，本发明在铌基合金中利用zr元素来替代合金中常用的ti元素，不仅可以避免低熔点元素引入降低合金熔点，还可以改善合金的偏析问题，同时zr元素引入促进了六方结构γnb5si3相的形成，较其他硅化物具有更高的韧性，最终制备的铌基高温合金实现了强度、韧性的同步提升；

20、本发明的铸态合金采用真空电弧熔炼的方法制备而成，对设备的要求较低，工艺简单，可重复性高。

技术特征：

1.一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金，其特征在于，所述铌基高温合金包括nb、si、zr和b元素，化学式为nbsizrb，按以下原子百分比构成：si为14％～18％，zr为20％～30％，b为1％～4％，余量为nb。

2.根据权利要求1所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金，其特征在于，所述铌基高温合金按以下原子百分比构成：59％的nb、16％的si、24％的zr和1％的b。

3.根据权利要求1所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金，其特征在于，所述铌基高温合金按以下原子百分比构成：58％的nb、16％的si、24％的zr和2％的b。

4.根据权利要求1所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金，其特征在于，所述铌基高温合金按以下原子百分比构成：56％的nb、16％的si、24％的zr和4％的b。

5.根据权利要求1-4任一项所属的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，nb、si、zr和b单质的纯度均大于99.9％。

7.根据权利要求5所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金的制备方法，其特征在于，预处理时，对样品进行打磨和/或酒精超声波清洗5～10min，清洗完再烘干处理。

8.根据权利要求7所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金的制备方法，其特征在于，超声波清洗功率为110～130w，频率为20～30khz。

9.根据权利要求5所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，抽真空的步骤为，关闭真空腔，先打开预抽阀及机械泵抽取炉内气体至示数为-0.01mpa后充入氩气洗炉，充氩气10秒后关闭氩气阀继续抽取炉内气体，当压力表示数再次达-0.01mpa后，关闭预抽阀，开主抽阀及机械泵继续抽真空至5*10-3pa，然后充入高纯氩气至-0.05mpa，开始熔炼。

10.根据权利要求5所述的一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，反复熔炼的次数为5～6次。

技术总结本发明属于高温合金技术领域，具体涉及一种间隙元素增强增韧的铌基高温合金及其制备方法。所述铌基高温合金包括Nb、Si、Zr和B元素，化学式为NbSiZrB，按以下原子百分比构成：Si为14％～18％，Zr为20％～30％，B为1％～4％，余量为Nb。本发明在制备时合金中引入了间隙元素B，以调控合金中Si的扩散速率，同时合金中软相Nbss的Si含量被有效限制，再利用Zr来替代合金中常用的Ti，避免低熔点元素引入降低合金熔点，还可以改善合金的偏析问题，同时Zr元素引入促进了六方结构γNb<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;相的形成，较其他硅化物具有更高的韧性，最终制备的铌基高温合金实现了强度、韧性的同步提升。工艺简单，可重复性高。技术研发人员：丁鑫受保护的技术使用者：扬州禄昌恒泰航空新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/27