专利名称：一种铱铪铌高温合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铱铪铌高温合金材料，是通过在铱基体中添加铪和铌元素以饱和固溶强化的方式来提高铱基合金的高温力学性能的一种新型高温合金材料。
背景技术：
随着我国航空航天事业的蓬勃发展，对新一代航天器的一些关键材料提出的要求是在1200℃～1950℃的温度范围具有足够高的强度，新型的超高温材料的开发是摆在我国材料科技工作者面前的紧迫任务。目前，在高温领域使用最成熟和最广泛的Ni基超合金的最高工作温度为1050℃～1150℃，该温度已达到Ni基超合金熔点的80％～85％，进一步提高其使用温度是非常有限的。为了满足1200℃～1950℃的温度范围航天器的服役条件的需要，必须开发难熔金属基的新型超高温合金材料以适应相关工业领域未来发展的需要。
白金族金属铱是一种具有高熔点(2443℃)、良好的抗氧化性和易于合金化的金属元素，是最有希望在超高温领域应用的金属材料。在铱中添加与之有较大原子尺寸差异的Hf和Nb元素，应用多元合金化和饱和固溶强化的设计思想可显著提高铱基合金的高温力学性能，可以作为航天器在1200℃～1950℃范围内使用的高温结构材料和高温涂层材料并满足不同的强度需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种高强度IrHfNb高温合金材料，该IrHfNb高温合金作为结构材料在1200℃～1950℃的温度下使用，可以超越目前金属镍基、铁基和钴基高温材料所无法达到的超高温强度。
本发明的一种铱铪铌高温合金材料，该合金材料由85at％～96at％的铱(Ir)、2at％～6at％的铪(Hf)和1at％～10at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明的一种铱铪铌高温合金材料，也可以由90at％～96at％的铱(Ir)、3at％～5at％的铪(Hf)和1at％～6at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的铱铪铌高温合金材料，其组份为Ir92Hf3Nb5或者Ir90Hf4Nb6。
所述的铱铪铌高温合金材料，该铱铪铌高温合金材料密度为21～22g/cm3，室温维氏硬度为HV620～850，杨氏弹性模量为150～210GPa，在1950℃屈服强度为80MPa～140MPa，变形率大于30％，1800℃屈服强度为120MPa～400MPa，1500℃屈服强度为300～650Mpa，工作温度为1200℃～1950℃。
本发明的一种铱铪铌高温合金材料的制备方法，包括下列步骤(1)按原子配比称取纯度为99.99％的铱(Ir)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的铌(Nb)；(2)将上述称取的铱、铪和铌原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2400℃熔炼成IrHfNb高温合金锭材；(3)将上述制得的IrHfNb高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度2000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到Ir85～96Hf2～6Nb1～10高温合金材料。
本发明IrHfNb高温合金材料的优点在Ir基础上，应用饱和固溶强化原则，通过添加与Ir有较大原子尺寸差异的高纯度Hf和Nb元素来提高合金的高温力学性能，这类合金材料密度为21～22g/cm3，杨氏弹性模量为150～210GPa，室温维氏硬度为HV620～850，可在1200℃～1950℃的超高温中工作。
图1是具有高温强度的Ir92Hf3Nb5合金在1800℃和1950℃温度下的压缩实验应力应变曲线图。
具体实施例方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种铱铪铌高温合金材料，该合金材料由85at％～96at％的铱(Ir)、2at％～6at％的铪(Hf)和1at％～10at％的铌(Nb)组成。并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明的铱铪铌高温合金材料，也可以由90at％～96at％的铱(Ir)、3at％～5at％的铪(Hf)和1at％～6at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明铱铪铌高温合金材料的制备方法和步骤如下(1)按原子配比称取纯度为99.99％的铱(Ir)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的铌(Nb)；(2)将上述称取的铱、铪和铌原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2400℃熔炼成IrHfNb高温合金锭材；(3)将上述制得的IrHfNb高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度2000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到Ir85～96Hf2～6Nb1～10高温合金材料。
采用线切割方法，将上述制得的IrHfNb高温合金材料中切取直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用日本岛津高温实验机进行压缩压力——应变测试，压缩应变速率为3×10-4s-1，真空度为1×10-2Pa～1×10-3Pa，实验温度为25℃、1500℃、1800℃、1950℃，圆柱体试样在实验前用800#SiC砂纸进行表面抛光，加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。铱铪铌高温合金材料的主要性能参数如下表所示
上表所示本发明的Ir85～96Hf2～6Nb1～10高温合金材料，可以超越目前金属镍基、铁基和钴基高温材料所无法达到的超高温强度，可以满足在1200℃～1950℃范围内的强度需要。即可作为高温结构材料使用，也可作为高温涂层材料使用。
实施例1制Ir92Hf3Nb5合金材料(1)称取92at％纯度为99.99％的铱(Ir)、3at％纯度为99.99％的铪(Hf)和5at％纯度为99.99％的铌(Nb)；(2)将上述称取的铱、铪和铌原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2400℃熔炼成IrHfNb高温合金锭材；(3)将上述制得的IrHfNb高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度3×10-3Pa，热处理温度2000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到Ir92Hf3Nb5高温合金材料。
采用线切割方法，将制得的Ir92Hf3Nb5高温合金材料中切取直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用日本岛津高温实验机进行压缩压力——应变测试，压缩应变速率为3×10-4s-1，真空度为1×10-3Pa，测试温度1800℃、1950℃，圆柱体试样在实验前用800#SiC砂纸进行表面抛光，加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。不同温度条件下Ir92Hf3Nb5的压缩应力——应变曲线参见图1所示，在1950℃下，Ir92Hf3Nb5的0.2％屈服强度为140MPa。在1800℃下，当压缩应力达到400MPa时停止压缩实验，因为在1800℃下加载卡具不能承受大于400MPa的应力。实验结束后发现Ir92Hf3Nb5圆柱试样没有发生永久塑性变形，因而可以确定在1800℃下Ir92Hf3Nb5合金的屈服强度大于400MPa。经测试本发明的Ir92Hf3Nb5高温合金材料能够满足在1200℃～1950℃范围内的强度需要。
实施例2制Ir90Hf4Nb6合金材料(1)称取90at％纯度为99.99％的铱(Ir)、4at％纯度为99.99％的铪(Hf)和6at％纯度为99.99％的铌(Nb)；(2)将上述称取的铱、铪和铌原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2400℃熔炼成IrHfNb高温合金锭材；(3)将上述制得的IrHfNb高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度3×10-3Pa，热处理温度2000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到Ir90Hf4Nb6高温合金材料。
采用线切割方法，将制得的Ir90Hf4Nb6高温合金材料中切取直径d＝3mm，高度h＝5mm的圆柱体作为力学性能测试样品，采用日本岛津高温实验机进行压缩压力——应变测试，压缩应变速率为3×10-4s-1，真空度为1×10-3Pa，测试温度25℃、1500℃、1800℃、1950℃，圆柱体试样在实验前用800#SiC砂纸进行表面抛光。加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。Ir90Hf4Nb6高温合金材料的主要性能参数如下表所示
上表所示的Ir90Hf4Nb6高温合金材料，可以超越目前金属镍基、铁基和钴基高温材料所无法达到的超高温强度，可以满足在1200℃～1950℃范围内的强度需要。即可作为高温结构材料使用，也可作为高温涂层材料使用。
权利要求
1.一种铱铪铌高温合金材料，其特征在于该合金材料由85at％～96at％的铱(Ir)、2at％～6at％的铪(Hf)和1at％～10at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
2.根据权利要求1所述的铱铪铌高温合金材料，其特征在于该合金材料由90at％～96at％的铱(Ir)、3at％～5at％的铪(Hf)和1at％～6at％的铌(Nb)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
3.根据权利要求1或2所述的铱铪铌高温合金材料，其特征在于该铱铪铌高温合金材料为Ir92Hf3Nb5。
4.根据权利要求1或2所述的铱铪铌高温合金材料，其特征在于该铱铪铌高温合金材料为Ir90Hf4Nb6。
5.根据权利要求1或2所述的铱铪铌高温合金材料，其特征在于该铱铪铌高温合金材料密度为21～22g/cm3，杨氏弹性模量为150～210GPa，室温维氏硬度为HV620～850，在1950℃屈服强度为80MPa～140MPa，变形率大于30％，1800℃屈服强度为120MPa～400MPa，1500℃屈服强度为300～650MPa。
6.根据权利要求1或2所述的铱铪铌高温合金材料，其特征在于该铱铪铌高温合金材料工作温度为1200℃～1950℃。
7.一种铱铪铌高温合金材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)按配比称取纯度为99.99％的铱(Ir)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的铌(Nb)；(2)将上述称取的铱、铪和铌原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa，充入高纯氩气至1.01×105Pa，然后在2000℃～2400℃熔炼成IrHfNb高温合金锭材；(3)将上述制得的IrHfNb高温合金锭材放入真空热处理炉内进行热处理，在真空度1×10-3Pa～5×10-3Pa，热处理温度2000℃下保温24小时后，随炉冷却，即得到Ir85～96Hf2～6Nb1～10高温合金材料。
全文摘要
本发明公开了一种铱铪铌高温合金材料，该合金材料由85at％～96at％的铱(Ir)、2at％～6at％的铪(Hf)和1at％～10at％的铌(Nb)组成。该铱铪铌高温合金材料密度为21～22g/cm
文档编号C22C1/02GK1664143SQ20051006474
公开日2005年9月7日 申请日期2005年4月20日 优先权日2005年4月20日
发明者沙江波, 徐惠彬, 宫声凯 申请人:北京航空航天大学