[发明专利]一种高塑性超高温铌基定向合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高塑性超高温金属材料领域，具体为一种用于涡轮工作叶片材料的高塑性超高温铌基定向合金及其制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，需要承温能力更高和综合性能更好的超高温金属结构材料。镍基高温合金叶片最高表面温度大约为1150℃，但未来设计要求材料能在1300℃以上工作。Nb基固溶体合金(如C103)以其高熔点、适中的密度以及一定的高温强度已在航天领域得到了广泛的应用，但是该合金不适合应用在航空领域，原因是其抗氧化能力较差和高温强度仍有待进一步提高。由于Nb比Ni密度低、熔点高，且Nb与其它高熔点金属相比，对Cl、N、O有更大的固溶度。因此，Nb作为超高温合金的基体材料很有竞争力，进行析出强化和弥散强化更为有效。另一方面，Nb的金属间化合物(如Nb₃Si，Nb₅Si₃和Cr₂Nb等)虽然也具有与纯金属Nb类似的低密度、高弹性模量和高熔点等性能，但金属间化合物固有的低韧性限制了其在飞机发动机等结构零件上的应用。近十年来，以Nb-Si共晶体系为基础的新型Nb基超高温合金引起了高温材料界的广泛关注，它依靠高韧性的Nb基固溶体来提高合金的室温韧性，而依靠金属间化合物相(如Nb₃Si或Nb₅Si₃)来保证合金的高温强度。此外，通过加入Ti，Hf，Cr，Al，B和Y等元素进行多元合金化，可以显著改善其室温断裂韧性、高温蠕变强度以及高温抗氧化能力等性能之间的匹配。同时，密度比第二代单晶高温合金约低20％。因此，该类新型Nb基超高温合金可望应用于1200～1450℃的温度范围，作为超高温替代材料很有竞争力。

为了实现超高温叶片工程化的应用，首先应解决两个最关键的科学问题。一方面，高强度Nb-Ti-Si系合金的设计和评价，进行合金力学性能(高温压缩、拉伸、持久、蠕变性能等)的测试及组织状况研究，选择和筛选更优秀的合金系。在Nb基固溶体合金设计开发的基础上灵活运用金属间化合物粒子弥散强化或凝固过程中析出的共晶强化等技术来制备Nb基超高温合金。

据报道，Nb-10Mo-(10-15)W-10Ti-18Si合金在1500℃屈服强度达800MPa，蠕变性能很好，可见Nb基超高温合金具有巨大的发展潜力。另一方面，Nb-Ti-Si系超高温合金部件制备技术。采用等离子电弧熔炼和机械合金化粉末冶金法都可制备Nb基高温材料部件，但定向凝固技术制备的合金的组织更加细化，单向性能及综合力学性能都更加优越。因而，定向凝固正逐渐成为Nb基超高温合金研究的主要工艺手段，直接制备形状复杂的高性能部件，将为该类合金的制备及应用带来质的飞跃。制造复杂形状的超高温部件面临着巨大挑战，要制造复杂制品需要制备工艺取得更本性的突破发展。然而，对于近净成形部件而言，熔模铸造超高温部件提供广一种低成本的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高塑性超高温铌基定向合金及其制备方法，使该合金作为低成本、高塑性、超高温强度高的铌基定向涡轮工作叶片材料。

本发明的技术方案是：

一种高塑性超高温铌基定向合金，按重量百分比计，合金成分如下：

C 0.015～0.2，B 0.005～0.05，Si 1.2～4.6，Cr 4.0～8.0，Al 2.0～5.0，Ti 22～26，Ta2.0～3.0，Hf0.4～4.0，余量为Nb和不可避免的残余元素及痕量元素。

本发明合金允许存在的残余元素及痕量元素范围，如表1和表2所示。

表1残余元素(不大于wt％)