專利名稱：一種銥鈮硅高溫合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銥鈮硅高溫合金材料，是通過在銥基體中添加鈮元素進行固溶強化，添加硅元素形成高溫強化相硅化物進行強化的方式來提高銥基合金的高溫力學(xué)性能的一種新型超高溫合金材料。
背景技術(shù)：
隨著我國航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對新一代航天器的一些關(guān)鍵材料提出的要求是在1200℃～1500℃的溫度范圍具有足夠高的強度，新型的超高溫材料的開發(fā)是擺在我國材料科技工作者面前的緊迫任務(wù)。目前，在高溫領(lǐng)域使用最成熟和最廣泛的Ni基超合金的最高工作溫度為1050℃～1150℃，該溫度已達到Ni基超合金熔點的80％～85％，進一步提高其使用溫度是非常有限的。為了滿足1200℃～1500℃的溫度范圍航天器的服役條件的需要，必須開發(fā)難熔金屬基的新型超高溫合金材料以適應(yīng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域未來發(fā)展的需要。
過度族難熔金屬銥是一種具有高熔點(2443℃)、良好的抗氧化性和易于合金化的金屬元素，是最有希望在超高溫領(lǐng)域應(yīng)用的金屬材料。在銥中添加與之有較大原子尺寸差異和高熔點的Nb元素以及可形成硅化物的Si元素，應(yīng)用多元合金化，固溶強化和硅化物強化的設(shè)計思想可顯著提高銥基合金的高溫力學(xué)性能，可以作為航天器在1200℃～1500℃范圍內(nèi)使用的高溫結(jié)構(gòu)材料和高溫涂層材料并滿足不同的強度需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種高強度IrNbSi高溫合金材料，該IrNbSi高溫合金作為結(jié)構(gòu)材料在1200℃～1500℃的溫度下使用，可以超越目前金屬鎳基、鐵基和鈷基高溫材料所無法達到的超高溫強度。
本發(fā)明的一種銥鈮硅高溫合金材料，該合金材料由69at％～93at％的銥Ir、5at％～25at％的鈮Nb和2at％～6at％的硅Si組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明的一種銥鈮硅高溫合金材料，也可以由70at％～86at％的銥Ir、10at％～25at％的鈮Nb和4at％～5at％的硅Si組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
所述的銥鈮硅高溫合金材料，其組份為Ir85Nb10Si5或者Ir71Nb25Si4。
所述的銥鈮硅高溫合金材料，該銥鈮硅高溫合金材料密度為17～21.2g/cm3，室溫維氏硬度為HV600～750，在1500℃屈服強度為150MPa～280MPa，1200℃屈服強度為300MPa～650MPa，工作溫度為1200℃～1500℃。
本發(fā)明的一種銥鈮硅高溫合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.99％的銥Ir、純度為99.99％的鈮Nb和純度為99.99％的硅Si；(2)將上述稱取的銥Ir、鈮Nb和硅Si原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1900℃～2000℃熔煉成IrNbSi高溫合金錠材；(3)將上述制得的IrNbSi高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度1750℃下保溫160～180小時后，隨爐冷卻，即得到Ir69～93Nb5～25Si2～6高溫合金材料。
本發(fā)明IrNbSi高溫合金材料的優(yōu)點在Ir基礎(chǔ)上，應(yīng)用多元合金化，飽和固溶強化和硅化物強化的原則，通過添加與Ir有較大原子尺寸差異的高熔點的Nb元素以及高溫強化相硅化物的形成元素Si來提高合金的高溫力學(xué)性能，這類合金材料密度為17～21.2g/cm3，室溫維氏硬度為HV600～750，可在1200℃～1500℃的超高溫中工作。


圖1是具有高溫強度的Ir85Nb10Si5合金在1200℃和1500℃溫度下的壓縮實驗應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明的一種銥鈮硅高溫合金材料，該合金材料由69at％～93at％的銥Ir、5at％～25at％的鈮Nb和2at％～6at％的硅Si組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明的一種銥鈮硅高溫合金材料，也可以由70at％～86at％的銥Ir、10at％～25at％的鈮Nb和4at％～5at％的硅Si組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
本發(fā)明的一種銥鈮硅高溫合金材料的制備方法，包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.99％的銥Ir、純度為99.99％的鈮Nb和純度為99.99％的硅Si；(2)將上述稱取的銥Ir、鈮Nb和硅Si原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1900℃～2000℃熔煉成IrNbSi高溫合金錠材；(3)將上述制得的IrNbSi高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度1750℃下保溫160～180小時后，隨爐冷卻，即得到Ir69～93Nb5～25Si2～6高溫合金材料。
在本發(fā)明中，為了使金相組織盡可能達到平衡狀態(tài)，一方面使硅Si盡可能多的固溶在銥Ir的固溶體中達到固溶強化的目的，另一方面使其余的硅Si擴散至銥Ir的晶界上形成硅化物的網(wǎng)絡(luò)或者框架，也起到進一步強化作用。保溫溫度的高低和保溫時間長短在本發(fā)明Ir69～93Nb5～25Si2～6高溫合金材料處理中具有創(chuàng)造性，也是本材料制備過程中的十分關(guān)鍵技術(shù)。
采用線切割方法，將上述制得的IrNbSi高溫合金材料中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用日本島津高溫實驗機進行壓縮壓力-應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)變速率為3×10-4s-1，真空度為1×10-2Pa～1×10-3Pa，實驗溫度為25℃、1200℃和1500℃，圓柱體試樣在實驗前用1000#SiC砂紙進行表面拋光，加熱速度為10℃/分鐘，到達設(shè)定溫度后保持10分鐘再進行壓縮實驗。銥鈮硅高溫合金材料的主要性能參數(shù)如下表所示

上表所示本發(fā)明的Ir69～93Nb5～25Si2～6高溫合金材料，可以超越目前金屬鎳基、鐵基和鈷基高溫材料所無法達到的超高溫強度，可以滿足在1200℃～1500℃范圍內(nèi)的強度需要。即可作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用，也可作為高溫涂層材料使用。
實施例1制Ir85Nb10Si5合金材料(1)稱取85at％純度為99.99％的銥(Ir)、10at％純度為99.99％的鈮(Nb)和5at％純度為99.99％的硅(Si)；(2)將上述稱取的銥、鈮和硅原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至3×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在2000℃熔煉成IrNbSi高溫合金錠材；(3)將上述制得的IrNbSi高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度3×10-3Pa，熱處理溫度1750℃下保溫168小時后，隨爐冷卻，即得到Ir85Nb10Si5高溫合金材料。
采用線切割方法，將制得的Ir92Hf3Nb5高溫合金材料中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用日本島津高溫實驗機進行壓縮壓力——應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)變速率為3×10-4s-1，真空度為1×10-3Pa，測試溫度1800℃、1950℃，圓柱體試樣在實驗前用1000#SiC砂紙進行表面拋光，加熱速度為10℃/分鐘，到達設(shè)定溫度后保持10分鐘再進行壓縮實驗。不同溫度條件下Ir92Hf3Nb5的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線參見圖1所示，在1500℃下，Ir85Nb10Si5的0.2％屈服強度為186MPa，最高強度為280MPa。在1200℃下，Ir85Nb10Si5的0.2％屈服強度為500MPa，最高強度為680MPa。實驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)Ir85Nb10Si5圓柱試樣沒有發(fā)生永久塑性變形，因而可以確定該Ir85Nb10Si5高溫合金材料能夠滿足在1200℃～1500℃范圍內(nèi)的強度需要。Ir85Nb10Si5高溫合金材料在本發(fā)明的成份范圍內(nèi)，具有三相fcc/L12/Silicide主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，是所設(shè)計IrNbSi高溫合金中強度最高的合金之一。
實施例2制Ir71Nb25Si4合金材料(1)稱取71at％純度為99.99％的銥(Ir)、25at％純度為99.99％的鈮(Nb)和4at％純度為99.99％的硅(Si)；(2)將上述稱取的銥、鈮和硅原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至3×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1900℃熔煉成IrNbSi高溫合金錠材；
(3)將上述制得的IrNbSi高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度3×10-3Pa，熱處理溫度1750℃下保溫168小時后，隨爐冷卻，即得到Ir71Nb25Si4高溫合金材料。
采用線切割方法，將制得的Ir90Hf4Nb6高溫合金材料中切取直徑d＝3mm，高度h＝5mm的圓柱體作為力學(xué)性能測試樣品，采用日本島津高溫實驗機進行壓縮壓力——應(yīng)變測試，壓縮應(yīng)變速率為3×10-4s-1，真空度為1×10-3Pa，測試溫度25℃、1200℃、1500℃，圓柱體試樣在實驗前用1000#SiC砂紙進行表面拋光。加熱速度為10℃/分鐘，到達設(shè)定溫度后保持10分鐘再進行壓縮實驗。Ir71Nb25Si4高溫合金材料的主要性能參數(shù)如下表所示

上表所示的Ir71Nb25Si4高溫合金材料，可以超越目前金屬鎳基、鐵基和鈷基高溫材料所無法達到的超高溫強度。
本發(fā)明的IrNbSi高溫合金在公開的有效用量范圍內(nèi)，具有兩相L12/Silicide主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，是密度最低的合金(17g/cm3)?？梢詽M足在1200℃～1500℃范圍內(nèi)的強度需要。即可作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用，也可作為高溫涂層材料使用。
權(quán)利要求
1.一種銥鈮硅高溫合金材料，其特征在于該合金材料由69at％～93at％的銥Ir、5at％～25at％的鈮Nb和2at％～6at％的硅Si組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銥鈮硅高溫合金材料，其特征在于該合金材料由70at％～86at％的銥Ir、10at％～25at％的鈮Nb和4at％～5at％的硅Si組成，并且上述各成分的含量之和為100％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的銥鈮硅高溫合金材料，其特征在于該銥鈮硅高溫合金材料為Ir85Nb10Si5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的銥鈮硅高溫合金材料，其特征在于該銥鈮硅高溫合金材料為Ir71Nb25Si4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的銥鈮硅高溫合金材料，其特征在于該銥鈮硅高溫合金材料密度為17～21.2g/cm3，室溫維氏硬度為HV600～750，在1500℃屈服強度為150MPa～280MPa，1200℃屈服強度為300MPa～650MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的銥鈮硅高溫合金材料，其特征在于該銥鈮硅高溫合金材料工作溫度為1200℃～1500℃。
7.一種銥鈮硅高溫合金材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)按配比稱取純度為99.99％的銥Ir、純度為99.99％的鈮Nb和純度為99.99％的硅Si；(2)將上述稱取的銥Ir、鈮Nb和硅Si原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高純氬氣至1.01×105Pa，然后在1900℃～2000℃熔煉成IrNbSi高溫合金錠材；(3)將上述制得的IrNbSi高溫合金錠材放入真空熱處理爐內(nèi)進行熱處理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，熱處理溫度1750℃下保溫160～180小時后，隨爐冷卻，即得到Ir69～93Nb5～25Si2～6高溫合金材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銥鈮硅高溫合金材料，該合金材料由69at％～93at％的銥Ir、5at％～25at％的鈮Nb和2at％～6at％的硅Si組成。該銥鈮硅高溫合金材料密度為17～21.2g/cm
文檔編號C22C1/03GK1786236SQ200510130059
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者沙江波, 徐惠彬, 宮聲凱 申請人:北京航空航天大學(xué)