一种Nb-Ti-Ta-C合金棒材及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种Nb?Ti?Ta?C合金棒材，由以下质量百分比的成分组成：Ti 25％～35％，Ta 5％～15％，C 0.2％～0.6％，余量为Nb和不可避免的杂质。本发明还提供了一种制备该合金棒材的方法，包括以下步骤：一、非自耗真空熔炼制备Ti?Ta?C中间合金；二、机械破碎Ti?Ta?C中间合金，并与铌粉混合均匀后压制成电极；三、真空自耗电弧熔炼，得到铸锭；四、热挤压，得到Nb?Ti?Ta?C合金棒材。本发明Nb?Ti?Ta?C合金棒材具有优异的室温、高温强度和良好的塑性，以及较好的抗氧化性能，能够作为下一代航空航天飞行器的超高温结构材料。
【专利说明】
一种Nb-T 1-Ta-C合金棒材及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于合金棒材技术领域，具体涉及一种Nb-T1-Ta-C合金棒材及其制备方法。
【背景技术】
[0002]铌(Nb)在难熔金属中比重最小，铌合金与其它难熔金属相比有较高的比强度、优良的塑性，加工性能和可焊性，同时它还具有小的热中子吸收截面和抗液体金属侵蚀能力。作为高温结构材料，铌合金具有较好的高温强度，良好的加工成形性能，在过去几十年里在航空航天领域得到了广泛的应用。但是，随着航空航天技术和国防工业的发展，要求高温结构材料在1200°C以上高温和氧化环境中承受高的应力。为了提高铌合金的高温强度，传统的高强铌合金是在铌中添加大量的高熔点难熔金属(如W、Mo、Ta和Hf等)进行固溶强化，提高铌合金的使用温度。由于合金化程度很高，晶格产生严重的畸变，使铌合金的塑性严重下降，材料的加工性能变差，成品率很低，而且单一的固溶强化机制难以大幅提高铌合金的高温力学性能；同时，由于引入了大量的W、Mo、Ta和Hf等元素，使铌合金的比重变大和严重恶化了高温抗氧化性能，不利于在航空航天上的应用。另一种高强铌合金是NbC弥散强化铌合金，虽然NbC具有高熔点、高硬度和高的弹性模量，能显著提高铌合金的高温强度，但NbC偏聚严重，使材料的塑性严重下降，加工成形困难，并且降低了材料使用的可靠性。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种Nb-T1-Ta-C合金棒材。该合金棒材室温抗拉强度为1060MPa?1205MPa、室温延伸率为13%?20%，在1400°C条件下的抗拉强度为312MPa?415MPa，在1400°C空气环境中氧化10h后合金棒材的损失0.18mg/cm2?0.093mg/cm2，由此证明该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种Nb-T1-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:Ti 25%?35%，Ta 5%?15%，C 0.2%?0.6%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0005]上述的Nb-T1-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:Ti28%?32%，Ta 8%?12%，C 0.3%?0.5%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0006]上述的Nb-T1-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:Ti30%,Ta 10%,C 0.4%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0007 ]另外，本发明还提供了一种制备上述的Nb-T 1-T a_C合金棒材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0008]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3000?3300 °C下熔炼I?3次，得到成分均匀的T 1-Ta-C中间合金；
[0009]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极；
[0010]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼I?3次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA?10kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为35V?45V;
[0011 ] 步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1100 °C?1300 0C，挤压比为5?9的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0012]上述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%。
[0013]上述的方法，其特征在于，步骤二中所述铌粉的质量纯度不小于99.5%。
[0014]上述的方法，其特征在于，步骤二中所述中间合金粉体的粒度不大于IOOym。
[0015]上述的方法，其特征在于，步骤四中所述挤压温度为1150°C?1250°C，挤压比为6?8。
[0016]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0017]1、本发明采用非自耗真空电弧熔炼方法制备T1-Ta-C中间合金，在非自耗真空电弧熔炼过程中Ti与C发生反应生成TiC，Ta与C发生反应生成TaC，然后再采用真空自耗电弧熔炼+热挤压工艺过程制备Nb-T1-Ta-C合金棒材，粗大的树枝晶组织完全被破碎和细化，并且TiC和TaC陶瓷相弥散均匀分布在Nb基体中。
[0018]2、本发明制备的Nb-T1-Ta-C合金中TiC和TaC陶瓷相均匀弥散在连续的Nb基体中，不但极大提高了Nb-T1-Ta-C合金棒材的力学性能，而且改善了Nb-T1-Ta-C合金棒材的高温抗氧化性能，同时具有较好的室温塑性。
[0019]3、本发明制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材的室温抗拉强度为1060MPa?1205MPa、室温延伸率为13%?20%，1400°(:的抗拉强度为31210^?41510^，在1400°(:空气环境中氧化10h后材料损失0.093mg/cm2?0.18mg/cm2，由此证明该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0020]下面通过附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明实施例1制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材的显微组织图。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
[0023]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材由以下质量百分比的成分组成:Ti30%，Ta 10%,C0.4%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0024]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材的制备方法包括以下步骤:
[0025]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3150°C下熔炼2次，得到成分均匀的T1-Ta-C中间合金;所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%;
[0026]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极;所述铌粉的质量纯度均不小于99.5% ;所述中间合金粉体的粒度不大于ΙΟΟμπι;;所述中间合金粉体的粒度不大于ΙΟΟμπι;
[0027]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼2次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为40V;
[0028]步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1200°C，挤压比为7的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0029]本发明实施例1制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材的显微组织如图1所示。从图1可以看出，本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材粗大的树枝状铸态组织完全被破碎，TiC和TaC陶瓷相均匀弥散在连续的Nb基体中。这种弥散分布的TiC和TaC陶瓷相不但使Nb-T1-Ta-C合金棒材具有很高的力学性能，同时改善了Nb-T1-Ta-C合金棒材的高温抗氧化性能;连续的Nb基体使Nb-T1-Ta-C合金棒材具有较好的室温塑性。进一步分析本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材Nb基体的化学成分，结果表明大量的Ti固溶在Nb基体中，Ti固溶在Nb基体中不但降低了合金棒材的密度，同时改善了Nb合金的高温抗氧化性能。
[0030]本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材室温抗拉强度为1205MPa、室温延伸率为20%，1400°C的抗拉强度为415MPa，在1400°C空气环境中氧化10h后材料损失0.093mg/cm2，该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0031]实施例2
[0032]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材由以下质量百分比的成分组成:Ti28%，Ta 8%,C0.3%，余I为Nb和不可避免的杂质。
[0033]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材的制备方法包括以下步骤:
[0034]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3000°C下熔炼I次，得到成分均匀的T1-Ta-C中间合金;所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%;
[0035]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极;所述铌粉的质量纯度均不小于99.5% ；所述中间合金粉体的粒度不大于10ym；
[0036]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼I次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为35V;
[0037]步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为100tC，挤压比为5的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0038]本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材室温抗拉强度为1060MPa、室温延伸率为13%，1400°(:的抗拉强度为31210^，在1400°(:空气环境中氧化10011后材料损失0.1811^/0112，该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0039]实施例3
[0040]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材由以下质量百分比的成分组成:Ti32%，Ta 12%,C0.5%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0041 ]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材的制备方法包括以下步骤:
[0042]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3300°C下熔炼3次，得到成分均匀的T1-Ta-C中间合金;所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%;
[0043]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极;所述铌粉的质量纯度均不小于99.5% ；所述中间合金粉体的粒度不大于10ym；
[0044]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼I次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为1kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为45V;
[0045]步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1300°C，挤压比为9的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0046]本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材室温抗拉强度为1150MPa、室温延伸率为17%，1400°(:的抗拉强度为39710^，在1400°(:空气环境中氧化10011后材料损失0.1311^/0112，该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0047]实施例4
[0048]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材由以下质量百分比的成分组成:Ti25%，Ta 5%,C0.2%，余3；为Nb和不可避免的杂质。
[0049 ]本实施例Nb-T 1-Ta-C合金棒材的制备方法包括以下步骤:
[0050]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3150°C下熔炼3次，得到成分均匀的T1-Ta-C中间合金;所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%;
[0051 ]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极;所述铌粉的质量纯度均不小于99.5% ；所述中间合金粉体的粒度不大于10ym；
[0052]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼I次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为40V;
[0053]步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1200°C，挤压比为7的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0054]本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材室温抗拉强度为1090MPa、室温延伸率为15%，1400°(:的抗拉强度为38210^，在1400°(:空气环境中氧化10011后材料损失0.1011^/0112，该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0055]实施例5
[0056]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材由以下质量百分比的成分组成:Ti35%，Ta 15%,C0.6%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0057]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材的制备方法包括以下步骤:
[0058]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3200°C下熔炼2次，得到成分均匀的T1-Ta-C中间合金;所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%;
[0059]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极;所述铌粉的质量纯度均不小于99.5% ；所述中间合金粉体的粒度不大于10ym；
[0060]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼3次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为40V;
[0061]步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1200°C，挤压比为9的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0062]本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材室温抗拉强度为1200MPa、室温延伸率为19%，1400°(:的抗拉强度为40210^，在1400°(:空气环境中氧化10011后材料损失0.1711^/0112，该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0063]实施例6
[0064]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材由以下质量百分比的成分组成:Ti 35%,Ta 15%,C 0.2%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0065]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材的制备方法包括以下步骤:
[0066]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3200°C下熔炼3次，得到成分均匀的T1-Ta-C中间合金;所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%;
[0067]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极;所述铌粉的质量纯度均不小于99.5% ；所述中间合金粉体的粒度不大于10ym；
[0068]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼3次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为40V;
[0069]步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1150°C，挤压比为6的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0070]本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材室温抗拉强度为1125MPa、室温延伸率为19%，1400°(:的抗拉强度为39510^，在1400°(:空气环境中氧化10011后材料损失0.1211^/0112，该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0071 ] 实施例7
[0072]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材由以下质量百分比的成分组成:Ti 25%,Ta 5%,C
0.6%，余量为Nb和不可避免的杂质。
[0073]本实施例Nb-T1-Ta-C合金棒材的制备方法包括以下步骤:
[0074]步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X 10—4Pa,然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3200°C下熔炼3次，得到成分均匀的T1-Ta-C中间合金;所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%;
[0075]步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极;所述铌粉的质量纯度均不小于99.5% ；所述中间合金粉体的粒度不大于10ym；
[0076]步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X 10—2Pa的条件下电弧熔炼3次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为9kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为40V;
[0077]步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1250°C，挤压比为8的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。
[0078]本实施例制备的Nb-T1-Ta-C合金棒材室温抗拉强度为I lOOMPa、室温延伸率为15%，1400°(:的抗拉强度为35010^，在1400°(:空气环境中氧化10011后材料损失0.1811^/0112，该Nb-T1-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。
[0079]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【主权项】
1.一种Nb-T1-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:Ti 25 0Z0?35%,Ta 5%?15%，C 0.2%?0.6%，余量为Nb和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的Nb-T1-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:Ti 28%?32%，Ta 8%?12%，C 0.3%?0.5%，余量为Nb和不可避免的杂质。3.根据权利要求2所述的Nb-T1-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成:Ti 30%,Ta 10%,C 0.4%，余量为Nb和不可避免的杂质。4.一种制备如权利要求1、2或3所述的Nb-T1-Ta-C合金棒材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5X10—4Pa，然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3000?3300 °C下熔炼I?3次，得到成分均匀的T 1-Ta-C中间合金； 步骤二、对步骤一中所述T1-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极； 步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5X10—2Pa的条件下电弧熔炼I?3次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭;所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA?10kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为35V?45V; 步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1100 °C?1300 0C，挤压比为5?9的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-T1-Ta-C合金棒材。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5%。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中所述铌粉的质量纯度不小于99.5%。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中所述中间合金粉体的粒度不大于10um08.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤四中所述挤压温度为1150°C?1250°C，挤压比为6?8。
【文档编号】C22C1/03GK106011575SQ201610595662
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】喻吉良, 郑欣, 刘辉, 王峰
【申请人】西北有色金属研究院