铌基高温合金及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及高温合金技术领域，尤其涉及一种铌基高温合金及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]火花塞(spark plugs)与点火系统和供油系统配合使发动机作功，在很大程度上共同决定了发动机的性能，是现代发动机必不可少的配件。火花塞的作用是将点火线圈产生的高压电引入发动机的燃烧室内，在其电极间隙中形成高能电火花，点燃压缩的混合气体，使发动机工作。火花塞电极是火花塞中重要的组成部件，是点火发生时主要的承载体，由于其工作条件极其恶劣，因此，火花塞电极材料的选择需要耐高气压、耐高电压、耐高温以及能够抵抗燃烧产物的强烈腐蚀。
[0003]目前，应用最为普遍的火花塞电极材料为镍基高温合金。在通常情况下，纯金属的导热性要好于合金，但是合金对于燃烧气体以及燃烧形成的固状沉积物的化学腐蚀抗性要比纯金属强。因此，现有技术中通常向镍中加入铬、锰、硅等元素，通过电弧熔炼得到耐化学腐蚀、耐电压腐蚀并且高温强度较高的镍基合金材料。其中铬提高抗电蚀能力，锰和硅提高耐化学腐蚀能力，特别是提高对电极危害巨大的氧化硫的抗腐蚀能力。为了弥补镍基合金导热性的不足，通常还采用铜作为电极芯，将其外围包裹以镍基合金材料。采用这种复合电极材料的火花塞还有可能采用较长的绝缘体裙部结构，而较长的绝缘体裙部在另一方面可以大大地提高火花塞的抗结污能力。然而，该电极材料存在一个缺点，即由于点火能量增大，中心电极容易发生烧蚀。
[0004]为了适应大功率、高转速、大压缩比的现代发动机的需要，同时使火花塞具有更高的点火性能和使用寿命，人们开始使用贵金属，如铂、铱、钇等，将其用于电极并相应改进发火端的结构。由于贵金属具有极高的熔点，例如，铂金的熔点为2042K、铱金的熔点为2716K，因此，加入贵金属元素提高了材料的抗化学腐蚀的能力。目前常用方法是将贵金属材料制成直径约0.2mm的细电极，直接烧结于绝缘体发火端中；另外，申请号为201280028188.X的中国专利文献报道了一种用于火花塞的电极及其制造方法，将直径为0.4?0.8mm的圆片用激光焊接于电极基底材料上。
[0005]贵金属电极材料尽管在性能上比较优异，但是其成本过于昂贵，从而制约了其作为火花塞电极材料的发展。另一方面，近年来对汽车尾气排放的标准逐渐落实，并且针对发动机的改进和发展也一直没有停止。这些因素都对发动机火花塞的设计，以及对火花塞电极材料提出了更新的、更高的要求。
【发明内容】
[0006]本发明解决的技术问题在于提供一种铌基高温合金及其制备方法，该合金具有良好的抗高温氧化性能和耐热腐蚀性能；本发明解决的技术问题还在于提供一种铌基高温合金在制备火花塞电极中的应用。
[0007]有鉴于此，本发明提供了一种铌基高温合金，以重量百分比计包括:
[0008]C 0.04 ?0.06%, Cr 19 ?21%，Mn 3 ~ 4%, W 3 ?4%，Mo 5 ?6%，Til ?2%,Al 0.5 ?2%，B 0.004 ?0.006%，Zr 0.03 ?0.05%，Fe 0.7 ?0.9%，Si O ?3%，稀土元素0.2?2%，余量为铌和不可避免的杂质，所述稀土元素包括Sc、Y、Sm和Yb中的一种或多种。
[0009]优选的，以重量百分比计，所述稀土元素为0.2?1%。
[0010]优选的，以重量百分比计，所述Si为1.5?2.5%，所述稀土元素为0.5?0.8%。
[0011]优选的，所述稀土元素还包括La、Ce、Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 和 Lu 中的一种或多种。
[0012]优选的，所述Sc、Y、Sm和Yb的重量比为I?5: I?5: I?5: I?5。
[0013]优选的，以重量百分比计包括:
[0014]C 0.05%, Cr 20%, Mn 3%, W 3%, Mo 6%, Ti 1%, Al 1%, B 0.005%, Zr0.04%, Fe 0.8%, Si 2%, Sc 0.1%,Y 0.1 % , Sm 0.1 %, Yb 0.l%,La 0.l%,Ce 0.1%,余量为铌和不可避免的杂质。
[0015]优选的，以重量百分比计包括:
[0016]C 0.05%, Cr 20%, Mn 3%, W 3%, Mo 6%, Ti 1%, Al 1%, B 0.005%, Zr0.04%, Fe 0.8%, Si 2%, Sc 0.04%, Y 0.04%, Sm 0.04%, Yb 0.04%,Pm 0.04%，余量为铌和不可避免的杂质。
[0017]相应的，本发明还童工一种上述铌基高温合金的制备方法，包括以下步骤:
[0018]将C、Cr、Mn、W、Mo、T1、Al、B、Zr、Fe、S1、稀土元素和铌混合，在真空电弧熔炼炉中熔炼，取出成型，翻面后再次熔炼，重复至少三次，得到铸锭；
[0019]将铸锭加热至1300°C保温固溶处理5h，空冷；
[0020]在800°C下保温时效处理10h，空冷后得到铌基高温合金。
[0021]优选的，所述真空电弧熔炼炉为WK-3B非自耗真空电弧炉，熔炼在氩气氛围下进行。
[0022]相应的，本发明还提供一种上述铌基高温合金在制备火花塞电极中的应用。
[0023]本发明提供了一种铌基高温合金及其制备方法，包括:C，Cr，Mn，W，Mo，Ti，Al，B，Zr，Fe，Si，稀土元素，余量为银和不可避免的杂质，所述稀土元素为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的一种或多种。铌的熔点约2469°C，铌的密度只有8.57g/cm3，因此铌基高温合金是一种具有发展优势的新型高温合金材料。与现有技术相比，本发明提供的铌基高温合金为含铬、含钇铌基合金，一方面，铬和铌与氧都有很好的亲和力，在氧化时可以形成一层致密的氧化薄膜，而该氧化薄膜与基底结合牢固，可以阻止合金的进一步氧化；混合的铬-铌氧化物(Nb205-Cr203)，相比两种单独的氧化物具有更高的稳定性，更难与熔融盐反应，从而提高了合金的抗热腐蚀性能；另外，合金中添加的少量稀土元素钇，可以提高氧化薄膜与基底的粘附性，细化氧化物晶粒，与硅协同作用，填充氧化物晶界，减少氧化物之间的孔洞，降低Nb粒子向外扩散的速度，从而进一步减缓了合金的腐蚀速度。另一方面，其他稀土元素如钪、钐、镱的加入进一步改善了铌基高温合金的抗腐蚀性能以及高温机械性能。实验结果表明，本发明制备的铌基高温合金具有良好的抗高温氧化性能和耐热腐蚀性能。
[0024]本发明还提供一种上述制备的铌基高温合金在制备火花塞电极中的应用。将本发明制备的银基尚温合金用于火花塞电极材料，可以明显提尚火花塞电极的寿命，从而提尚火花塞的使用寿命，降低因频繁更换火花塞而引起的消耗，节约能源。
【附图说明】
[0025]图1为本发明实施例制备的N0.UN0.2,N0.3铌基高温合金在800°C氧化10h静态空气中的氧化动力学曲线，纵坐标为增重，横坐标为时间；
[0026]图2为本发明实施例制备的N0.1、N0.2、N0.3铌基高温合金在800 °C NaCl和Na2SO4(I: 3)混合盐环境下的氧化动力学曲线，纵坐标为增重，横坐标为时间；
[0027]图3为本发明实施例制备的N0.K N0.2, N0.3铌基高温合金在700°C下高温抗压试验的应力-应变曲线，纵坐标为应力，横坐标为应变。
【具体实施方式】
[0028]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
[0029]本发明实施例公开了一种铌基高温合金，以重量百分比计包括:
[0030]C 0.04 ?0.06%, Cr 19 ?21%，Mn 3 ~ 4%, W 3 ?4%，Mo 5 ?6%，Til ?2%,Al 0.5 ?2%，B 0.004 ?0.006%，Zr 0.03 ?0.05%，Fe 0.7 ?0.9%，Si O ?3%，稀土元素0.2?2%，余量为铌和不可避免的杂质，所述稀土元素包括Sc、Y、Sm和Yb中的一种或多种。
[0031]本发明提供的铌基高温合金，相较于传统的镍基合金而言，铌的熔点为2469°C，比镍的熔点高大约700°C，而且铌的密度只有8.57g/cm3，要小于其它的耐热金属材料如钼、钨、钽，并且铌的价格要远低于钽等材料，因此铌基高温合金是一种非常具有发展优势的新型高温合金材料。<