专利名称：一种铌钨铪硅高温合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铌钨铪硅超高温合金材料。
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有适当的密度，在1200℃～1500℃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℃～1500℃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。
过度族难熔金属铌是一种具有高熔点(2467℃)、适当的密度(8.55g/cm3)、良好的室温韧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。在铌中添加与之有较大原子尺寸差异和高熔点的Hf和W元素，以及可形成硅化物的Si元素，应用多元合金化，固溶强化和高温强化相硅化物Nb5Si3强化的设计思想可显著提高铌基合金的高温力学性能，可以作为航天器在1200℃～1500℃范围内使用的高温结构材料，能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NbWHfSi高温合金材料，是通过在铌基体中添加钨和铪元素进行固溶强化，添加硅元素形成高温强化相硅化物Nb5Si3进行强化的方式来提高铌基合金的高温力学性能的一种新型超高温合金材料。该NbWHfSi高温合金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，满足1200℃～1500℃范围内的强度需要。
本发明是一种铌钨铪硅高温合金材料，由50at％～85at％的铌(Nb)、10at％～15at％钨(W)、0at％～15at％的铪(Hf)和5at％～20at％的硅(Si)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的铌钨铪硅高温合金材料也可由52at％～83at％的铌(Nb)、12at％～15at％钨(W)、0at％～15at％的铪(Hf)和5at％～18at％的硅(Si)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
所述的铌钨铪硅高温合金材料，其组份为Nb57W15Hf10Si18或者Nb75W15Hf5Si5。
所述的铌钨铪硅高温合金材料，该铌钨铪硅高温合金材料密度为8.7～10.4g/cm3，室温维氏硬度为HV420～780，在1500℃屈服强度为200MPa～570MPa，变形率大于10％，在1200℃屈服强度为460～850MPa。
本发明的一种铌钨铪硅高温合金材料的制备方法，包括下列步骤(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌(Nb)、纯度为99.99％的钨(W)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的硅(Si)；(2)将上述称取的铌、钨、铪和硅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NbWHfSi高温合金锭材；(3)将上述制得的NbWHfSi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1750℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到Nb50～85W10～15Hf0～15Si5～20高温合金材料。
本发明NbWHfSi高温合金材料的优点在Nb基础上，应用多元合金化，饱和固溶强化和硅化物强化的原则，通过添加与Nb有较大原子尺寸差异和高熔点的Hf和W元素以及高温强化相硅化物的形成元素Si来提高合金的高温力学性能，这类合金密度为8.7～10.4g/cm3，接近Ni基超合金的密度(约为8g/cm3)，远低于Ir基高温合金的密度(19～22g/cm3)。在1200～1500℃之间具有超高强度的优点。
图1是Nb57W15Hf10Si18合金在1500℃和1200℃下的压缩应力应变曲线图。
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。
本发明是一种铌钨铪硅高温合金材料，由50at％～85at％的铌(Nb)、10at％～15at％钨(W)、0at％～15at％的铪(Hf)和5at％～20at％的硅(Si)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明铌钨铪硅高温合金材料，也可以由52at％～83at％的铌(Nb)、12at％～15at％钨(W)、0at％～15at％的铪(Hf)和5at％～18at％的硅(Si)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
本发明的一种铌钨铪硅高温合金材料的制备方法，包括下列步骤(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌(Nb)、纯度为99.99％的钨(W)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的硅(Si)；(2)将上述称取的铌、钨、铪和硅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NbWHfSi高温合金锭材；(3)将上述制得的NbWHfSi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1750℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到Nb50～85W10～15Hf0～15Si5～20高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的NbWHfSi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应力-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，实验温度为室温、1200℃和1500℃。圆柱体试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。高温实验时加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。铌钨铪硅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Nb50～85W10～15Hf0～15Si5～20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℃～1500℃范围内的强度需要，可作为高温结构材料使用。
实施例1制Nb57W15Hf10Si18合金材料(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌(Nb)、纯度为99.99％的钨(W)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的硅(Si)；(2)将上述称取的铌、钨、铪和硅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NbWHfSi高温合金锭材；(3)将上述制得的NbWHfSi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1750℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到Nb57W15Hf10Si18高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Nb57W15Hf10Si18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，实验温度为室温、1200℃和1500℃。圆柱体试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。高温实验时加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。高温下Nb57W15Hf10Si18的压缩应力-应变曲线参见图1。图中所示，在1500℃下，Nb57W15Hf10Si18的0.2％屈服强度为500MPa，最高强度为800MPa。在1200℃下的0.2％屈服强度为960MPa，最高强度为1400MPa。Nb57W15Hf10Si18高温合金材料在本发明的成份范围内，具有两相Nbss/Nb5Si3结构(两相比例约为1∶1)，是所有NbWHfSi高温合金中强度最高的合金。
实施例2制Nb75W15Hf5Si5合金材料(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌(Nb)、纯度为99.99％的钨(W)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的硅(Si)；(2)将上述称取的铌、钨、铪和硅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NbWHfSi高温合金锭材；(3)将上述制得的NbWHfSi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1750℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到Nb75W15Hf5Si5高温合金材料。
采用线切割方法，在上述制得的Nb75W15Hf5Si5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，实验温度为室温、1200℃和1500℃。圆柱体试样在实验前用1000#SiC砂纸进行表面抛光。高温实验时加热速度为10℃/分钟，到达设定温度后保持10分钟再进行压缩实验。Nb75W15Hf5Si5高温合金材料的主要性能参数如下表所示
上表所示的Nb75W15Hf5Si5高温合金材料在本发明的成份范围内，具有两相的Nbss/Nb5Si3结构(两相比例约为0.85∶0.15)，是所有NbWHfSi高温合金中室温塑性最好的合金(室温压缩塑性为5％)。
权利要求
1.一种铌钨铪硅(Nb-W-Hf-Si)高温合金材料，其特征在于该合金材料由50at％～85at％的铌(Nb)、10at％～15at％钨(W)、0at％～15at％的铪(Hf)和5at％～20at％的硅(Si)组成，并且上述各成分的含量之和为100％。
2.根据权利要求1所述的铌钨铪硅高温合金材料，其特征在于该合金材料由52at％～83at％的铌(Nb)、12at％～15at％钨(W)、0at％～15at％的铪(Hf)和5at％～18at％的硅(Si)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所述的铌钨铪硅高温合金材料，其特征在于该铌钨铪硅高温合金材料为Nb57W15Hf10Si18。
4.根据权利要求1或2所述的铌钨铪硅高温合金材料，其特征在于该铌钨铪硅高温合金材料为Nb75W15Hf5Si5。
5.根据权利要求1或2所述的铌钨铪硅高温合金材料，其特征在于该铌钨铪硅高温合金材料密度为8.7～10.4g/cm3，室温维氏硬度为HV420～780，在1500℃屈服强度为200MPa～570MPa，变形率大于10％，在1200℃屈服强度为460～850MPa。
6.根据权利要求1或2所述的铌钨铪硅高温合金材料，其特征在于该铌钨铪硅高温合金材料适用工作温度为1200℃～1500℃。
7.一种铌钨铪硅高温合金材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)按成份配比称取纯度为99.99％的铌(Nb)、纯度为99.99％的钨(W)、纯度为99.99％的铪(Hf)和纯度为99.99％的硅(Si)；(2)将上述称取的铌、钨、铪和硅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NbWHfSi高温合金锭材；(3)将上述制得的NbWHfSi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1750℃下保温48小时后，随炉冷却，即得到Nb50～85W10～15Hf0～15Si5～20高温合金材料。
全文摘要
本发明公开了一种铌钨铪硅(Nb－W－Hf－Si)高温合金材料及其制备方法，该合金由50at％～85at％的铌(Nb)、10at％～15at％钨(W)、0at％～15at％的铪(Hf)和5at％～20at％的硅(Si)组成。该铌钨铪硅高温合金材料密度为8.7～10.4g/cm
文档编号C22C9/04GK1730699SQ20051009340
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月29日 优先权日2005年8月29日
发明者沙江波, 刘东明, 徐惠彬, 宫声凯 申请人:北京航空航天大学