[发明专利]具有层片状组织定向排列特征的近共晶Nb-Si-Mo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，涉及一种具有层片状组织定向排列特征的近共晶Nb‑Si‑Mo合金制备方法。本发明采用送粉式激光快速成形技术制备具有细小层片状定向排列组织特征的近共晶Nb‑Si‑Mo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。合金由Nb固溶体相和β‑Nb₅Si₃相两相组成，尺寸约为100～500nm的层片状Nb固溶体相和层片状β‑Nb₅Si₃相交替排列，并且所有层片状的Nb固溶体相和层片状的β‑Nb₅Si₃相都近似按同一方向排列。相比传统定向凝固工艺和磁控溅射等工艺制备的Nb‑Si‑Mo共晶合金，本发明基于激光快速熔化和凝固特点，能获得的更加细小的层片状组织，使近共晶成分的Nb‑Si‑Mo合金也能通过本发明实现显微组织的全共晶化。

技术领域

本发明属于高温结构材料的制备技术领域，涉及一种具有层片状组织定向排列特征的近共晶Nb-Si-Mo合金制备方法。

背景技术

为满足高推比航空发动机叶片的研制需求，研究承温能力超过1200℃的新型超高温结构材料是当前材料领域的研究热点之一。Nb-Si基合金作为下一代高温结构材料显示出诱人的应用前景，受到广泛关注，被认为是最具潜力、能在短期内替代现有镍基高温合金的新一代超高温结构材料。

工艺与合金化元素对Nb-Si基合金的显微组织将产生显著影响，不同工艺会得到不同制备得到的Nb-Si基合金典型的显微组织。非自耗真空电弧熔炼制备得到的原子百分含量为Nb-16Si-2Cr合金的显微组织，由初生Nb_SS相、Nb₅Si₃和Nb₃Si相组成，热处理后相形貌圆润，Nb₃Si发生共析分解Nb₃Si→Nb_SS+Nb₅Si₃。采用光悬浮定向凝固工艺制备的Nb-17.5Si合金由Nb_SS和Nb₅Si₃相形成的两相交替排列的定向组织。反应热压烧结工艺(热压温度1600℃，保温1h)制备的Nb-16Si合金，其显微组织由等轴状Nb_SS、Nb₃Si相和Nb₅Si₃相组成。热挤压+热处理(1500℃/100h)工艺制备的Nb-10Si合金，初生Nb_SS相沿着挤压方向被拉长，经过热处理后Nb₃Si完全分解为次生Nb_SS和Nb₅Si₃。采用物理气相沉积工艺可以制备出Nb和Nb₅Si₃相交替排列的微叠层材料。

由于在Nb-Si-Mo三元系中，存在一个二元Nb-Si系中所没有的新型共晶反应，即L→Nb_SS+β-Nb₅Si₃，其中L表示液体；Nb_SS表示Nb固溶体。通过该反应得到具有片层结构的共晶体，这对于提高合金的综合力学性能十分有利，此外，片层共晶组织的定向排列能进一步提高Nb-Si-Mo合金的综合力学性能。

目前，能获得层片状组织定向排列特征的Nb-Si合金的工艺主要有定向凝固和物理气相沉积方法。传统定向凝固工艺制备的Nb-Si-Mo合金，由于温度梯度较小，合金显微组织较粗大，且由于Nb-Si-Mo合金熔体活性较高，十分容易与定向凝固用陶瓷坩埚反应，在合金中引入杂质元素。物理气相沉积方法制备层片结构金，需要交替沉积Nb和Si，制备过程较复杂，组织十分粗大，单层Nb或Nb5Si3层的厚度约0.1～0.5mm，此外合金中还可能存在部分亚稳相，影响材料组织稳定性，需要后续处理才能完全消除。

发明内容