本發(fā)明涉及一種合金及其制備方法，特別涉及一種超高溫合金材料。

背景技術(shù)：

隨著我國航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展，對高溫結(jié)構(gòu)件材料使用溫度的要求越來越高，因此必須研制能夠在更高溫度下服役的高溫結(jié)構(gòu)材料。目前已知的可以在1200℃以上使用的高溫結(jié)構(gòu)材料包括：難熔金屬、金屬間化合物、陶瓷材料和碳碳復(fù)合材料等。其中陶瓷材料存在導(dǎo)熱性差和韌性低的缺點(diǎn)，限制了其在高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展；而碳碳復(fù)合材料同樣存在加工工藝復(fù)雜和抗氧化涂層技術(shù)不夠完善的缺點(diǎn)，因此無法滿足高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用要求。

在前人所探索的眾多新型超高溫結(jié)構(gòu)材料中，鈮基超高溫合金具有獨(dú)特的優(yōu)勢，不僅熔點(diǎn)高、密度適中，而且還具有高低溫力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，尤其相比碳碳復(fù)合材料和陶瓷材料，具有良好的合金化和加工工藝性，被公認(rèn)為非常具有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮邷亟Y(jié)構(gòu)材料，已成為目前超高溫結(jié)構(gòu)材料研究的熱點(diǎn)之一。目前國內(nèi)外的學(xué)者對Nb基超高溫合金的合金化及應(yīng)用進(jìn)行了較多的研究，但是對于超高溫(1600℃)、短時、高強(qiáng)度、低密度(小于8.2g/cm³)使用鈮基合金尚未開展深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的高溫材料導(dǎo)熱性差和韌性低的技術(shù)問題，提供了一種超高溫合金及其制備方法。

超高溫合金該合金按原子百分比由鈮51at％-75at％、鉬5at％、硅16at％、鈦0at％-22at％、鎢0at％-2at％、鉿0at％-2at％、鉻2at％和鋁2at％組成。

所述超高溫合金密度為7.8-8.2g/cm³。

該合金的制備方法如下：

一、稱取原料：按照原子百分比鈮51at％-75at％、鉬5at％、硅16at％、鈦0at％-22at％、鎢0at％-2at％、鉿0at％-2at％、鉻2at％和鋁2at％的比例，稱取純度為99.99％的鈮、純度為99.9％的鉬、純度為99.99％的硅、純度為99.7％的鈦、純度為99.8％的鎢、純度為99.9％的鉿、純度為99.99％的鉻、純度為99.99％的鋁；

二、非自耗電弧熔煉：

將步驟一稱取的原料放入非自耗真空電弧爐的坩堝里，充入氬氣至氣壓為0.05-0.07MPa，然后在氣壓為0.05-0.07MPa、真空度為6.0×10^-3Pa、熔煉電流為450-550A的條件下均勻熔煉60s，并且反復(fù)熔煉5次，得到成分均勻的紐扣鑄錠；

三、非自耗電弧-感應(yīng)熔煉重熔：在氬氣氣體保護(hù)、氣壓為0.05-0.07MPa、感應(yīng)功率為5-15kW、電流為150-250A的條件下，熔煉5min，得到超高溫合金。

本發(fā)明鈮鉬硅鈦鎢鉿鉻鋁超高溫合金及其制備方法的優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)整合金中W、Hf、Ti的含量的方式來提高鈮基合金的綜合性能，從而獲得超高溫(1600℃)、短時高強(qiáng)度、低密度(小于8.2g/cm3)的新型超高溫合金材料。為了得到成分均勻的大塊鑄錠，設(shè)計了一套非自耗電弧-感應(yīng)熔煉系統(tǒng)熔煉鈮鉬硅鈦鎢鉿鉻鋁超高溫合金，該熔煉系統(tǒng)是以電弧熔煉為主，感應(yīng)攪拌為輔，實(shí)現(xiàn)在電弧熔煉過程中有電磁攪拌的熔煉效果，最終達(dá)到成分均勻的目的。

本發(fā)明的超高溫合金材料密度為7.8-8.2g/cm³，在1500℃的抗壓強(qiáng)度為500-750MPa；在1200℃的抗壓強(qiáng)度為850-1050MPa；室溫維氏硬度為650-780HV，抗壓強(qiáng)度為1500-2500MPa，具有超高溫(1600℃)、短時高強(qiáng)度、低密度(小于8.2g/cm³)的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是實(shí)驗一至實(shí)驗三所制備的超高溫合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；

圖2是在1200℃下實(shí)驗一至實(shí)驗三所制備的超高溫合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；

圖3是在1500℃下實(shí)驗一至實(shí)驗三所制備的超高溫合金的.壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式間的任意組合。

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式超高溫合金按原子百分比由鈮51at％-75at％、鉬5at％、硅16at％、鈦0at％-22at％、鎢0at％-2at％、鉿0at％-2at％、鉻2at％和鋁2at％組成。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是所述鈮原子百分比為60at％。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二之一不同的是所述超高溫合金密度為7.8-8.2g/cm³。其它與具體實(shí)施方式一或二之一相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一所述超高溫合金的制備方法如下：

一、稱取原料：按照原子百分比鈮51at％-75at％、鉬5at％、硅16at％、鈦0at％-22at％、鎢0at％-2at％、鉿0at％-2at％、鉻2at％和鋁2at％的比例，稱取純度為99.99％的鈮、純度為99.9％的鉬、純度為99.99％的硅、純度為99.7％的鈦、純度為99.8％的鎢、純度為99.9％的鉿、純度為99.99％的鉻、純度為99.99％的鋁；

二、非自耗電弧熔煉：

將步驟一稱取的原料放入非自耗真空電弧爐的坩堝里，充入氬氣至氣壓為0.05-0.07MPa，然后在氣壓為0.05-0.07MPa、真空度為6.0×10^-3Pa、熔煉電流為450-550A的條件下均勻熔煉60s，并且反復(fù)熔煉5次，得到成分均勻的紐扣鑄錠；

三、非自耗電弧-感應(yīng)熔煉重熔：在氬氣氣體保護(hù)、氣壓為0.05-0.07MPa、感應(yīng)功率為5-15kW、電流為150-250A的條件下，熔煉5min，得到超高溫合金。

采用線切割加工技術(shù)，從上述制得的超高溫合金材料中切割出壓縮試樣，要求試樣表面無明顯缺陷，試樣尺寸為直徑4mm、高度6mm的圓柱體，采用水砂紙研磨試樣表面，然后在Instron-5500電子萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測試，實(shí)驗過程中應(yīng)變速率為2×10^-3s^-1，直到試樣發(fā)生斷裂，實(shí)驗才能停止。1200℃和1500℃高溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測試使用Gleeble-1500D熱加工模擬試驗機(jī)，加熱方式為電阻加熱，加熱速度為20℃/s，應(yīng)變速率為2×10^-3s^-1，到達(dá)設(shè)定溫度后保溫10min后進(jìn)行壓縮試驗，壓縮變形量為10％。本發(fā)明鈮鉬硅鈦鎢鉿鉻鋁超高溫合金材料的主要性能參數(shù)如下表所示：

表1鈮鉬硅鈦鎢鉿鉻鋁超高溫合金性能參數(shù)

本發(fā)明的超高溫合金材料具有良好的高溫強(qiáng)度，并且密度低于8.2g/cm³，滿足航空航天領(lǐng)域短時超高溫工況的使用要求。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同的是步驟二中所述的氣壓為0.06MPa。其它與具體實(shí)施方式四相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四或五不同的是步驟二中熔煉電流為480-530A。其它與具體實(shí)施方式四或五相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四至六之一不同的是步驟二中熔煉電流為500A。其它與具體實(shí)施方式四至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四至七之一不同的是步驟三中所述的氣壓為0.06MPa。其它與具體實(shí)施方式四至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四至八之一不同的是步驟三中所述的感應(yīng)功率為10kW。其它與具體實(shí)施方式四至八之一相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四至九之一不同的是步驟三中所述的電流為200A。其它與具體實(shí)施方式四至九之一相同。

采用下述實(shí)驗驗證本發(fā)明效果：

實(shí)驗一：

超高溫合金的制備方法如下：

一、稱取原料：按照原子百分比鈮60at％、鉬5at％、硅16at％、鈦14at％、鎢1at％、鉻2at％和鋁2at％的比例，稱取純度為99.99％的鈮、純度為99.9％的鉬、純度為99.99％的硅、純度為99.7％的鈦、純度為99.8％的鎢、純度為99.99％的鉻、純度為99.99％的鋁；

二、非自耗電弧熔煉：

將配備好的原料放入非自耗真空電弧爐的坩堝里，然后關(guān)閉爐門；打開控制柜總電源，然后進(jìn)行抽真空至6.0×10^-3Pa，然后向爐膛內(nèi)充入氬氣至氣壓為0.05MPa；打開電弧爐電源和高頻電源，然后引弧，引弧后將熔煉電流提升至450A，均勻熔煉60s，反復(fù)熔煉5次，得到成分均勻的紐扣鑄錠；

三、將配備好的紐扣鑄錠放入水冷銅坩堝內(nèi)，然后關(guān)閉熔煉爐門；先打開控制柜總電源，然后打開機(jī)械泵進(jìn)行抽真空，期間向爐膛內(nèi)兩次沖入氬氣進(jìn)行洗氣處理，當(dāng)設(shè)備上的真空計示數(shù)低于8Pa后，向爐膛內(nèi)充入氬氣至氣壓為0.05MPa；調(diào)整鎢極槍的位置，再打開非自耗電弧熔煉電源，然后引弧，引弧成功后，打開感應(yīng)電源，將感應(yīng)功率設(shè)置為5kW，然后將電弧爐電源電流緩慢增加至150A，熔煉5min，得到超高溫合金Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al。

采用線切割加工技術(shù)，從上述制得的Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al合金材料中切割出壓縮試樣，要求試樣表面無明顯缺陷，試樣尺寸為直徑4mm，高度6mm的圓柱體，采用水砂紙研磨試樣表面，然后在Instron-5500電子萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測試，實(shí)驗過程中應(yīng)變速率為2×10^-3s^-1，直到試樣發(fā)生斷裂，實(shí)驗才能停止。1200℃和1500℃高溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變測試使用Gleeble-1500D熱加工模擬試驗機(jī)，加熱方式為電阻加熱，加熱速度為20℃/s，應(yīng)變速率為2×10^-3s^-1，到達(dá)設(shè)定溫度后保溫10min后進(jìn)行壓縮試驗，壓縮變形量為10％。Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al合金材料的主要性能參數(shù)如下表所示：

表2 Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al合金性能參數(shù)

在25℃下Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，抗壓強(qiáng)度為2500MPa。在1200℃下Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，抗壓強(qiáng)度為1050MPa。在1500℃下Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，抗壓強(qiáng)度為750MPa。Nb-5Mo-16Si-14Ti-1W-2Cr-2Al合金在本發(fā)明的成分范圍內(nèi)，具有最好的高溫強(qiáng)度，滿足航空航天領(lǐng)域短時超高溫工況的使用要求。

實(shí)驗二：

超高溫合金的制備方法如下：

一、稱取原料：按照原子百分比鈮51at％、鉬5at％、硅16at％、鈦22at％、鎢2at％、鉻2at％和鋁2at％的比例，稱取純度為99.99％的鈮、純度為99.9％的鉬、純度為99.99％的硅、純度為99.7％的鈦、純度為99.8％的鎢、純度為99.99％的鉻、純度為99.99％的鋁；

二、非自耗電弧熔煉：

將配備好的原料放入非自耗真空電弧爐的坩堝里，然后關(guān)閉爐門；打開控制柜總電源，然后進(jìn)行抽真空至6.0×10^-3Pa，然后向爐膛內(nèi)充入氬氣至氣壓為0.06MPa；打開電弧爐電源和高頻電源，然后引弧，引弧后將熔煉電流提升至500A，均勻熔煉60s，反復(fù)熔煉5次，得到成分均勻的紐扣鑄錠；

三、將配備好的紐扣鑄錠放入水冷銅坩堝內(nèi)，然后關(guān)閉熔煉爐門；先打開控制柜總電源，然后打開機(jī)械泵進(jìn)行抽真空，期間向爐膛內(nèi)兩次沖入氬氣進(jìn)行洗氣處理，當(dāng)設(shè)備上的真空計示數(shù)低于8Pa后，向爐膛內(nèi)充入氬氣至氣壓為0.06MPa；調(diào)整鎢極槍的位置，再打開非自耗電弧熔煉電源，然后引弧，引弧成功后，打開感應(yīng)電源，將感應(yīng)功率設(shè)置為8kW，然后將電弧爐電源電流緩慢增加至180A，熔煉5min，得到超高溫合金Nb-5Mo-16Si-22Ti-2W-2Cr-2Al。

在25℃下Nb-5Mo-16Si-22Ti-2W-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，抗壓強(qiáng)度為2200MPa。在1200℃下Nb-5Mo-16Si-22Ti-2W-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，抗壓強(qiáng)度為905MPa。在1500℃下Nb-5Mo-16Si-22Ti-2W-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，抗壓強(qiáng)度為600MPa。Nb-5Mo-16Si-22Ti-2W-2Cr-2Al合金在本發(fā)明的成分范圍內(nèi)，具有良好的高溫強(qiáng)度，基本滿足航空航天領(lǐng)域短時超高溫工況的使用要求。

實(shí)驗三：

超高溫合金的制備方法如下：

一、稱取原料：按照原子百分比鈮75at％、鉬5at％、硅16at％、鉻2at％和鋁2at％的比例，稱取純度為99.99％的鈮、純度為99.9％的鉬、純度為99.99％的硅、純度為99.99％的鉻、純度為99.99％的鋁；

二、非自耗電弧熔煉：

將配備好的原料放入非自耗真空電弧爐的坩堝里，然后關(guān)閉爐門；打開控制柜總電源，然后進(jìn)行抽真空至6.0×10^-3Pa，然后向爐膛內(nèi)充入氬氣至氣壓為0.07MPa；打開電弧爐電源和高頻電源，然后引弧，引弧后將熔煉電流提升至550A，均勻熔煉60s，反復(fù)熔煉5次，得到成分均勻的紐扣鑄錠；

三、將配備好的紐扣鑄錠放入水冷銅坩堝內(nèi)，然后關(guān)閉熔煉爐門；先打開控制柜總電源，然后打開機(jī)械泵進(jìn)行抽真空，期間向爐膛內(nèi)兩次沖入氬氣進(jìn)行洗氣處理，當(dāng)設(shè)備上的真空計示數(shù)低于8Pa后，向爐膛內(nèi)充入氬氣至氣壓為0.07MPa；調(diào)整鎢極槍的位置，再打開非自耗電弧熔煉電源，然后引弧，引弧成功后，打開感應(yīng)電源，將感應(yīng)功率設(shè)置為5-15kW，然后將電弧爐電源電流緩慢增加至250A，熔煉5min，得到超高溫合金Nb-5Mo-16Si-2Cr-2Al。

在25℃下Nb-5Mo-16Si-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，抗壓強(qiáng)度為1700MPa。在1200℃下Nb-5Mo-16Si-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，抗壓強(qiáng)度為910MPa。在1500℃下Nb-5Mo-16Si-2Cr-2Al合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，抗壓強(qiáng)度為530MPa。Nb-5Mo-16Si-2Cr-2Al合金在本發(fā)明的成分范圍內(nèi)，具有良好的高溫強(qiáng)度，滿足航空航天領(lǐng)域短時超高溫工況的使用要求。