一種鈧、鉭增強的高強度鎳鈮合金材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鈧、鉭增強的高強度鎳鈮合金材料，通過配料、混料、壓坯和熱壓燒結步驟制備而成。把鈧、鉭作為有益的合金化元素引入到合金中的新思路，同時，鈮元素降低了合金中鋁的含量，保證合金具有好的塑韌性；通過熱壓燒結的手段，獲得了高強度和耐磨性能的低成本高強度合金材料；通過加入鑭和鐠元素，細化了合金組織，進一步增強了合金強度，并使合金保持良好的室溫和高溫力學性能。
【專利說明】一種鈧、鉭增強的高強度鎳鈮合金材料
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鎳鈮合金材料領域，具體的說，是涉及一種高強度鎳鈮合金材料。
【背景技術】
[0002]在航空、航天工業(yè)的發(fā)展過程中，先進材料的發(fā)展對于航空、航天技術的進步至關重要?；诠?jié)約能源和減少污染的需要，要求航空、航天結構材料不僅耐高溫而且要具有高比強度和高比剛度。鎳鈮合金由于具有高熔點、高比強度和比模量、低蠕變速率、相對較小的密度、較好的導熱性能和較好的抗高溫氧化性等優(yōu)點，使鎳鈮合金被視為高溫輕質(zhì)合金的潛力候選材料之一。然而，鎳鈮合金較差的室溫塑性和高溫強度限制了其廣泛應用。目前，合成和制備鎳鈮金屬間化合物及其合金的方法有很多，例如，合金熔煉法、等離子燒結法、燃燒合成法、機械合金化法和熱等靜壓法等。然而，這些方法或多或少都存在一些不足。
[0003]鎳鈮金屬間化合物的微觀組織結構十分穩(wěn)定，形成能較高，最大可以達到82kJ/mol。在鎳鈮合金發(fā)展過程中，合金化和復合材料技術一直作為兩種最重要的手段來改善鎳鈮合金的組織和提高鎳鈮合金的性能。事實上，人們一直沒有停止關于金屬元素對鎳鈮合金組織和性能的影響規(guī)律的探索，然而，金屬元素對鎳鈮合金強度和塑性的影響規(guī)律及其作用機制尚不明確，仍存在爭議。
[0004]另外，目前陶瓷顆粒對鎳鈮合金性能的影響規(guī)律及機制還需要進一步揭示，關于改善鎳鈮合金強度和塑性的研究仍是當前國際上急需解決的世界難題。關于金屬元素種類、含量及內(nèi)生陶瓷顆粒結構、尺寸、形狀、數(shù)量、分布對鎳鈮合金強度和塑性的影響機制尚不明確。很多研究人員試圖在鎳鈮合金中添加一定數(shù)量的復相陶瓷，以期獲得較好的綜合力學性能。例如，以Ni粉、Nb粉、碳黑以及Al粉末為原料，制備出的鎳鈮基復合材料，由于復合陶瓷的加入使鎳鈮合金強度有顯著的提高，經(jīng)過HIP處理后，其強度得到了進一步提高，但是其高溫強度提高的并不十分明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種高強度鎳鈮合金材料，該鎳鈮合金具有高熔點、低密度、高屈服強度和斷裂強度等性能。
[0006]本發(fā)明高強度鎳鈮合金材料的技術思想為:鈮是鎳基合金中應用較為廣泛的穩(wěn)定元素，鎳基合金中的鈮以置換原子方式存在于α相中，鈮的加入可降低熔點和提高β轉(zhuǎn)變溫度，在室溫和高溫都起到強化作用。鈮在燒結過程中促進了鎳、鋁以及碳等元素的相互擴散，有利于第二相的形成和細化。
[0007]鈧的加入促進了燒結，細化了合金組織，提高了合金的力學性能。根據(jù)合金元素對鎳基鍵合力的影響以及同鎳元素的相互作用的特點，鉭的加入可顯著提高合金高溫強度。而鑭和鐠的加入因其擴散速度慢而抑制鎳晶粒長大，進一步細化了合金組織，并使合金保持良好的室溫和高溫力學性能。
[0008]本發(fā)明采用的技術方案是:一種高強度鎳鈮合金材料，其特征在于:所述鎳鈮合金含有下述重量百分比的組分:6.0~10.0%的Nb，2.0~4.0%的Sc，0.5~1.0%的C，
2.0~3.0%的了3，1.0~2.0%的Α1，0.5~1%的La，0.5~I %的Pr，余量為鎳及不可避免的雜質(zhì)。
[0009]所述鎳鈮合金材料的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)配料:按照所述的重量百分比稱取相應量的鎳粉、鈮粉、鋁粉、石墨粉、鈧粉、鉭粉、鑭粉和鐠粉，進行配料；
[0011](2)混料:將所述配料后得到的粉料和不銹鋼球按適當?shù)那蛄媳确湃牖炝瞎拗?，在轉(zhuǎn)速為200~300r / min的混料機上進行混料，混料時間為4~6小時，得到混好的粉料；
[0012](3)壓坯:將所述混好的粉料在液壓機上壓制成坯，壓坯壓力為450~550MPa，壓還后獲得直徑為15~20mm,高為20~30mm的圓柱形壓還料；
[0013](4)熱壓燒結:將所述壓坯料放在石墨模具中，然后將裝有所述壓坯料的所述石墨模具放入熱壓成型裝置，以適當?shù)纳郎厮俣冗M行加熱，當溫度達到1000~1200°C時保溫，并開始施加壓力，維持所述壓力和保溫溫度30~60s，然后隨爐冷卻至室溫，最終得到鎳銀合金產(chǎn)品。
[0014]所述配料步驟中，上述各組分的粉末粒度為:鎳粉300~500目，鈮粉400~600目、鋁粉400~600目、石墨粉1000~2000目、鈧粉400~600目、鉭粉400~600目、鑭粉300~500目，以及鐠粉300~500目。
[0015]所述混料步驟中，所述粉料和不銹鋼球按球料比5~10:1放入混料罐中。
[0016]所述熱壓燒結步驟中，抽真空至60~80Pa,以40~60°C / min的升溫速度進行加熱，當溫度達到1000~1200°C時保溫，并開始施加壓力，壓力為40~60MPa。
[0017]最終所得到的鎳鈮合金產(chǎn)品的屈服強度為500~600MPa，斷裂強度為1200~1300MPa，硬度為 450 ~550HV。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明提出了把鈧、鉭作為有益的合金化元素引入到合金中的新思路，同時，鈮元素降低了合金中鋁的含量，保證合金具有好的塑韌性；通過熱壓燒結的手段，獲得了高強度和耐磨性能的低成本高強度合金材料；通過加入鑭和鐠元素，細化了合金組織，進一步增強了合金強度，并使合金保持良好的室溫和高溫力學性能。并克服了鎳基合金耐磨性差、彈性模量低等缺點，對擴大鎳基合金材料在航空航天和民用工業(yè)等領域應用將具有巨大的推動作用。
【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例和對比例對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0020]實施例1:
[0021]高強度鎳鈮合金材料含有下述重量百分比的組分:6.0 %的Nb，2.0 %的Sc，1.0%的C，2.0 %的Ta，2.0 %的Al，0.8 %的La，I %的Pr，余量為鎳及不可避免的雜質(zhì)。首先，按照所述的重量百分比稱取相應量的鎳粉、鈮粉、鋁粉、石墨粉、鈧粉、鉭粉、鑭粉和鐠粉，進行配料，且各組分的粉末粒度為:鎳粉400目，鈮粉400目、鋁粉400目、石墨粉2000目、鈧粉600目、鉭粉400目、鑭粉500目，以及鐠粉500目。將所述配料后得到的粉料和不銹鋼球按球料比5:1放入混料罐中，在轉(zhuǎn)速為250r / min的混料機上進行混料，混料時間為4小時，得到混好的粉料。將所述混好的粉料在液壓機上壓制成坯，壓坯壓力為550MPa，壓坯后獲得直徑為20mm，高為20mm的圓柱形壓坯料。將所述壓坯料放在石墨模具中，然后將裝有所述壓坯料的所述石墨模具放入熱壓成型裝置，抽真空至60Pa，以40°C / min的升溫速度進行加熱，當溫度達到1200°C時保溫，并開始施加壓力，壓力為40MPa，維持所述壓力和保溫溫度30s，然后隨爐冷卻至室溫，最終得到屈服強度為550MPa，斷裂強度為1200MPa，硬度為450HV的鎳鈮合金產(chǎn)品。
[0022]實施例2:
[0023]高強度鎳鈮合金材料含有下述重量百分比的組分:10.0%的Nb，4.0%的Sc，1.0%的C，2.0%的Ta，1.0%的Al，0.5%的La，I %的Pr，余量為鎳及不可避免的雜質(zhì)。首先，按照所述的重量百分比稱取相應量的鎳粉、鈮粉、鋁粉、石墨粉、鈧粉、鉭粉、鑭粉和鐠粉，進行配料，且各組分的粉末粒度為:鎳粉500目，鈮粉600目、鋁粉400目、石墨粉1000目、鈧粉600目、鉭粉400目、鑭粉500目，以及鐠粉400目。將所述配料后得到的粉料和不銹鋼球按球料比10:1放入混料罐中，在轉(zhuǎn)速為300r / min的混料機上進行混料，混料時間為6小時，得到混好的粉料。將所述混好的粉料在液壓機上壓制成坯，壓坯壓力為450MPa，壓坯后獲得直徑為15_，高為20_的圓柱形壓坯料。將所述壓坯料放在石墨模具中，然后將裝有所述壓坯料的所述石墨模具放入熱壓成型裝置，抽真空至80Pa，以50°C / min的升溫速度進行加熱，當溫度達到1100°C時保溫，并開始施加壓力，壓力為50MPa，維持所述壓力和保溫溫度50s，然后隨爐冷卻至室溫，最終得到屈服強度為500MPa，斷裂強度為1250MPa，硬度為500HV的鎳鈮合金產(chǎn)品。
[0024]實施例3:
[0025]高強度鎳鈮合金材料含有下述重量百分比的組分:8.0%的Nb，3.0%的Sc，0.5%的C，3.0%的Ta，1.5%的Al，1%的La，0.5%的Pr，余量為鎳及不可避免的雜質(zhì)。首先，按照所述的重量百分比稱取相應量的鎳粉、鈮粉、鋁粉、石墨粉、鈧粉、鉭粉、鑭粉和鐠粉，進行配料，且各組分的粉末粒度為:鎳粉500目，鈮粉500目、鋁粉600目、石墨粉1000目、鈧粉500目、鉭粉500目、鑭粉300目，以及鐠粉300目。將所述配料后得到的粉料和不銹鋼球按球料比8:1放入混料罐中，在轉(zhuǎn)速為200r / min的混料機上進行混料，混料時間為5小時，得到混好的粉料。將所述混好的粉料在液壓機上壓制成坯，壓坯壓力為500MPa，壓坯后獲得直徑為20mm，高為30mm的圓柱形壓坯料。將所述壓坯料放在石墨模具中，然后將裝有所述壓坯料的所述石墨模具放入熱壓成型裝置，抽真空至70Pa，以60°C / min的升溫速度進行加熱，當溫度達到1000°C時保溫，并開始施加壓力，壓力為60MPa，維持所述壓力和保溫溫度60s，然后隨爐冷卻至室溫，最終得到屈服強度為600MPa，斷裂強度為1300MPa，硬度為550HV的鎳鈮合金產(chǎn)品。
[0026]對比例1:
[0027]將與本發(fā)明實施例組成成分相同的鎳鈮合金，在配料、混料和壓坯后，將所述壓坯料放在石墨模具中，然后將裝有所述壓坯料的所述石墨模具放入熱壓成型裝置，抽真空至60~80Pa，以40~60°C / min的升溫速度進行加熱，將保溫溫度提高到1300°C以上或降低到1000以下，并調(diào)整施加的壓力大于IOOPa或小于40Pa或不施加壓力，保持同樣的時間后隨爐冷卻至室溫，最終得到鎳鈮合金產(chǎn)品。最終所得到的鎳鈮合金產(chǎn)品的屈服強度低于400MPa，斷裂強度低于llOOMPa，硬度低于400HV。[0028]對比例2:
[0029]改變本發(fā)明實施例鎳鈮合金的組成元素，以常規(guī)的Zn、T1、Mg等元素替代Sc、Ta和稀土元素，則采用同樣的配料、混料、壓坯和熱壓燒結步驟后，最終所得到的鎳鈮合金產(chǎn)品，其屈服強度為200~350MPa，斷裂強度為800~lOOOMPa，硬度為250~300HV。
[0030]由實施例1-3和對比例I和2可以看出，通過利用根據(jù)本發(fā)明實施例的一種高強度鎳鈮合金材料，把鈧、鉭作為有益的合金化元素引入到合金中的新思路，同時，鈮元素降低了合金中鋁的含量，保證合金具有好的塑韌性；通過熱壓燒結的手段，獲得了高強度和耐磨性能的低成本高強度合金材料；通過加入鑭和鐠元素，細化了合金組織，進一步增強了合金強度，并使合金保持良好的室溫和高溫力學性能。 [0031]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種高強度鎳鈮合金材料，其特征在于:所述鎳鈮合金含有下述重量百分比的組分:6.0 ~10.0% 的 Nb，2.0 ~4.0% 的 Sc，0.5 ~1.0% 的 C，2.0 ~3.0% 的 Ta，1.0 ~2.0%的A1，0.5~1%的La，0.5~I %的Pr，余量為鎳及不可避免的雜質(zhì)； 所述鎳鈮合金材料的制備方法，包括以下步驟: (1)配料:按照所述的重量百分比稱取相應量的鎳粉、鈮粉、鋁粉、石墨粉、鈧粉、鉭粉、鑭粉和鐠粉，進行配料； (2)混料:將所述配料后得到的粉料和不銹鋼球按適當?shù)那蛄媳确湃牖炝瞎拗?，在轉(zhuǎn)速為200~300r / min的混料機上進行混料，混料時間為4~6小時，得到混好的粉料； (3)壓坯:將所述混好的粉料在液壓機上壓制成坯，壓坯壓力為450~550MPa，壓坯后獲得直徑為15~20mm,高為20~30mm的圓柱形壓還料； (4)熱壓燒結:將所述壓坯料放在石墨模具中，然后將裝有所述壓坯料的所述石墨模具放入熱壓成型裝置，以適當?shù)纳郎厮俣冗M行加熱，當溫度達到1000~1200°C時保溫，并開始施加壓力，維持所述壓力和保溫溫度30~60s，然后隨爐冷卻至室溫，最終得到鎳鈮合金產(chǎn)品。
2.如權利要求1所述的一種高強度鎳鈮合金材料，其特征在于:所述配料步驟中，上述各組分的粉末粒度為:鎳粉300~500目，鈮粉400~600目、鋁粉400~600目、石墨粉1000~2000目、鈧粉400~600目、鉭粉400~600目、鑭粉300~500目，以及鐠粉300~500 目。
3.如權利要求1所述的一種高強度鎳鈮合金材料，其特征在于:所述混料步驟中，所述粉料和不銹鋼球按球料比5~10:1放入混料罐中。·
4.如權利要求1所述的一種高強度鎳鈮合金材料，其特征在于:所述熱壓燒結步驟中，抽真空至60~80Pa，以40~60°C / min的升溫速度進行加熱，當溫度達到1000~1200°C時保溫，并開始施加壓力，壓力為40~60MPa。
5.如權利要求1所述的一種高強度鎳鈮合金材料，其特征在于:最終所得到的鎳鈮合金產(chǎn)品的屈服強度為500~600MPa，斷裂強度為1200~1300MPa，硬度為450~550HV。
【文檔編號】C22C1/04GK103710576SQ201310602720
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權日:2013年11月25日
【發(fā)明者】葉綠均 申請人:葉綠均