专利名称：一种铌硅铁合金发动机零件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种合金发动机零件及其制备方法。
背景技术：
现代航空航天事业的发展要求制备发动机高温零件的材料具有适当的密度、在130(TC左 右具有足够高的强度，目前，用于制备发动机高温零件的材料是镍基超合金，但镍基超合金 的熔点为125CTC 140CTC ，允许的最高工作温度为1050°C 1150°C ，进一步提高工作温度的 空间不大，不能满足发动机高温零件的使用要求；目前的制备发动机高温零件的方法，通常 是先使用铸造方法制备出合金坯料，然后对其进行后续处理(如热处理)来改善其组织及加 工性能，最后再进行大量的机加工工序制成最终的零件，此方法制备的合金坯料容易产生合 金组织粗大、分布不均匀和偏析等现象，严重影响材料的力学性能，需要多次熔炼和热处理 来加以改善，生产周期长，能量消耗大，而且在机加工过程中又要浪费大量的材料，增加了 生产成本。
发明内容
本发明是为了解决目前的发动机高温零件适应的工作温度低，不能满足现代航空航天发 动机的应用要求，制备方法复杂、成本高的缺陷，而提供一种铌硅铁合金发动机零件及其制 备方法。
本发明的铌硅铁合金发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅铁合金按原子百分比由 77% 96%的铌、3% 20%硅和1% 3%的铁制成。
本发明的一种铌硅铁合金发动机零件的制备方法按以下步骤进行 一、按原子百分比分 别称取77% 96%质量纯度》99. 9%的铌粉、3% 20%质量纯度》99. 0%的硅粉和1% 3%质量纯 度》99.5%的铁粉混匀，然后采用机械合金化法制备出复合粉末；二、先计算出铌硅铁合金 的密度P和所要制备的发机零件的体积V，按照111= P v计算所需经步骤一制备的复合粉末的质 量m，称取质量为m的复合粉末并将其再在室温和压力为200MPa 900MPa的条件下，采用钢模 冷压制成相对密度为70% 80%的坯料；三、根据发动机零件的最终尺寸和形状设计加工分瓣 石墨模具和石墨套筒，然后将分瓣石墨模具的型腔内壁用氮化硼润滑剂均匀涂覆，然后将经 步骤二制备的坯料放入分瓣石墨模具型腔的上端，再将分瓣石墨模具用石墨套筒套住，组成 待热压件；四、将待热压件置于真空热压烧结炉内，将真空室的真空度抽至10—2Pa 10—3Pa、真空热压烧结炉程序升温至热压温度为140(TC 170(rC保持5min 10min后，在上压头上 施加50MPa 100MPa的压力将坯料压入石墨模具的型腔中，形成零件，最后随炉冷却至室温 ，即得到铌硅铁合金发动机零件。
所述步骤一中铌粉的粒度为20um 60um、硅粉的粒度为20 y m 60 y m、铁粉的粒度为 1 y m 10 y m。
所述步骤一中机械合金化法制备复合粉末的步骤如下将称量好的粉末混合物加入到采 用不锈钢磨球的球磨罐中，球料质量比为15: 1，再加入占粉末混合物总质量10%的分析纯的
无水乙醇，在质量纯度》99. 999%的氩气的保护下，以100rpm 300rpm的速度球磨20h 30h ，干燥，制备出复合粉末。
所述步骤二中合金密度P的计算方法是P=l/(CNb/PNb+CSi/pSi+ CFe/pFe)，其中 CNb， Csi和CFe分别为合金中铌、硅和铁的质量百分含量；PNb、 P Si和P Fe分别为铌、硅和铁
的密度。
所述步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是先以l(TC/min 2(TC/min的速度升温 至800。C 1100。C，接着以10。C/min 15。C/min的速度升温至1300。C 1500。C保持30min 60min，再以l(TC/min 15TVmin的速度升温至热压温度。
本发明的一种铌硅铁合金发动机零件在130(TC 140(rC的工作温度下，其机械强度不受 影响，因为构成发动机零件的材料铌硅铁合金的熔点》200(TC，是一种理想的高温合金材料 ，能够满足发动机高温零件的使用要求，铌硅铁合金发动机零件的制备方法采用的是粉末挤 压近终成形技术， 一次成形为最终形状、不需要多次熔炼和热处理、后期的机加工少或无加 工，工艺简单，成本低，制备过程中材料利用率高，没有机加工过程中造成的材料浪费，从 而又进一步降低了成本。
图l是具体实施方式
四中是热压前坯料放置示意图，图2是具体实施方式
四中热压后成形 的发动机零件示意图。图l中的附图标记l是压头，2是分瓣式石墨模具，3是坯料，4是型腔 ，5是石墨套筒；图2中的附图标记1是压头，2是分瓣式石墨模具，5是石墨套筒，6是发动机 零件。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式的铌硅铁合金发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅 铁合金按原子百分比由77% 96%的铌、3% 20%硅和1% 3%的铁制成。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是铌硅铁合金按原子百分比由82. 5% 90. 5%的铌、8% 15%的硅和1. 5% 2. 5%的铁制成。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同点是铌硅铁合金按原子百分比
由85%的铌、13%的硅和2%的铁制成。其它与具体实施方式
一相同。
本实施方式所得的铌硅铁合金发动机零件在130(TC的工作温度下，机械性能不受影响，
发动机零件的材料铌硅铁合金的熔点为210(TC ，密度为7g/cm3，能满足发动机高温零件的需要。
具体实施方式
四(参见附图1和图2)本实施方式的铌硅铁合金发动机零件的制备方法 按以下步骤进行 一、按原子百分比分别称取77% 96%质量纯度》99.9%的铌粉、3% 20%质 量纯度》99. 0%的硅粉和1% 3%质量纯度》99. 5%的铁粉混匀，然后采用机械合金化法制备出 复合粉末；二、先计算出铌硅铁合金的密度P和所要制备的发机零件的体积v，按照n^pv计 算所需经步骤一制备的复合粉末的质量m，称取质量为m的复合粉末并将其再在室温和压力为 200MPa 900MPa的条件下，采用钢模冷压制成相对密度为70% 80%的坯料3;三、根据发动 机零件的最终尺寸和形状设计加工分瓣石墨模具2和石墨套筒5，将分瓣式石墨模具2的型腔4 的内壁用氮化硼润滑剂均匀涂覆，然后将经步骤二制备的坯料3放入分瓣石墨模具2的型腔4 的上端，再将分瓣石墨模具2用石墨套筒5套住，组成待热压件；四、将待热压件置于真空热 压烧结炉内，将真空室的真空度抽至10—2Pa 10—3Pa、真空热压烧结炉程序升温至热压温度 为1400°C 1700°C保持5min 1 Omin后，在上压头1上施加50MPa 1 OOMPa的压力将坯料3压入 石墨模具2的型腔4中，形成发动机零件6，最后随炉冷却至室温，即得到铌硅铁合金发动机 零件。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
四不同的是步骤一中铌粉的粒度为20y m 60ym、硅粉的粒度为20 y m 60 y m、铁粉的粒度为l y m 10 y m。其它参数和步骤与具 体实施方式四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
四或五不同的是步骤一中机械合金化法
制备复合粉末的步骤如下将称量好并混匀的铌粉、硅粉和铁粉加入到采用不锈刚磨球的球 磨罐中，球料质量比为15: 1，再加入占粉末混合物总质量10%的分析纯的无水乙醇，在质量
纯度S 99.999%的氩气的保护下，以100rpm 300rpm的速度球磨20h 30h，干燥，制备出复 合粉末。其它参数和步骤与具体实施方式
四或五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
四至六不同的是步骤二中合金的密度计 算方法P=l/(CNb/pNb+CSi/pSi+ CFe/pFe)，其中CNb， Csi和CFe分别为合金中铌、硅和铁 的质量百分含量；PNb、 PSi和PFe分别为铌、硅和铁的密度。其它参数和步骤与具体实施方具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
四至七不同的是本实施方式所述步骤四
中真空热压烧结炉程序升温的形式是先以l(TC/min 2(TC/min的速度升温至80(rC 1100 。C，接着以10。C/min 15。C/min的速度升温至1300。C 1500。C保持30min 60min，再以IO °C/min 15°C/min的速度升温至热压温度。其它参数和步骤与具体实施方式
四至七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
四至八不同的是步骤一中按原子百分比 分别称取82. 5% 90. 5%质量纯度2;99. 9%的铌粉、8% 15%质量纯度2;99. 0%的硅粉和1. 5% 2. 5%质量纯度》99. 5%的铁粉。其它参数和步骤与具体实施方式
四至八相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
四至九不同的是步骤一中按原子百分比 分别称取85%质量纯度》99. 9%的铌粉、13%质量纯度》99. 0%的硅粉和2%质量纯度》99. 5%的 铁粉。其它参数和步骤与具体实施方式
四至九相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
四至十不同的是步骤二中的压力为 300MPa 800MPa。其它参数和步骤与具体实施方式
四至十相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
四至十一不同的是步骤二中的压力为 500MPa。其它参数和步骤与具体实施方式
四至^^一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
四至十二不同的是步骤四中真空室的 真空度为2 X 10—3Pa 8 X 10—3Pa。其它参数和步骤与具体实施方式
四至十二相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
四至十三不同的是步骤四中真空室的 真空度为5X10—咔a。其它参数与步骤与具体实施方式
四至十三相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
四至十四不同的是步骤四中烧结炉的 温度升至150(TC 160(rC。其它参数与步骤与具体实施方式
四至十四相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
四至十五不同的是步骤四中烧结炉的
温度升至155(TC。其它参数与步骤与具体实施方式
四至十五相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
四至十六不同的是步骤四中的压力为 60MPa 90MPa。其它参数与步骤与具体实施方式
四至十六相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
四至十七不同的是步骤四中的压力为 75MPa。其它参数与步骤与具体实施方式
四至十七相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
四至十八不同的是步骤一中铌粉的粒
度为30ym 50um、硅粉的粒度为30 y m 50 y m、铁粉的粒度为3 y m 7 y m。其它参数与步 骤与具体实施方式
四至十八相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
四至十九不同的是步骤一中铌粉的粒
度为40um、硅粉的粒度为40um、铁粉的粒度为5ym。其它参数与步骤与具体实施方式
四至 十九相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
四至二十不同的是步骤一中机械合
金化法制备复合粉末时的球磨速度为150rpm 250rpm、球磨时间为22h 28h。其它参数与步 骤与具体实施方式
四至二十相同。
具体实施方式
二十二本实施方式与具体实施方式
四至二十一不同的是步骤一中机械
合金化法制备复合粉末时的球磨速度为200rpm、球磨时间为25h。其它参数与步骤与具体实 施方式四至二十一相同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
四至二十二不同的是步骤四中真空
热压烧结炉程序升 温的形式是先以12。C/min 18。C/min的速度升温至90(TC 100(rC，接 着以ll。C/min 14。C/min的速度升温至1200。C 1400。C保持40min 50min，再以ll。C/min 14'C/min的速度升温至热压温度。其它参数与步骤与具体实施方式
四至二十二相同。
具体实施方式
二十四本实施方式与具体实施方式
四至二十三不同的是步骤四中真空 热压烧结炉程序升温的形式是先以15。C/min的速度升温至95(TC，接着以12. 5"C/min的速 度升温至130(TC保持45min，再以12. 5"C/min的速度升温至热压温度。其它参数与步骤与具 体实施方式四至二十三相同。
具体实施方式
二十五本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中按原子百分比 分别称取81%质量纯度》99. 9%粒度为40 y m的铌粉、16%质量纯度》99. 0%的粒度为40 y m硅粉 和3%质量纯度》99. 5G/。粒度为5um的铁粉混匀，然后加入到采用不锈刚磨球的球磨罐中，球 料质量比为15: 1，再加入占粉末混合物总质量10%的分析纯的无水乙醇，在质量纯度》 99.999%的氩气的保护下，以250rpm的速度球磨24h，干燥，制备出复合粉末；步骤二中冷压 制备坯料的压力为700MPa;步骤四中真空热压烧结炉的真空度为10—3Pa、热压温度为160(TC ，压力为80MPa;步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是先以10。C/min的速度升温至 IOO(TC，接着以15。C/min的速度升温至140(TC保持40min，再以1(TC的速度升温至热压温度 。其它参数与步骤与具体实施方式
一相同。
本实施方式的铌硅钢铁皮合金发动机零件的制备方法， 一次成形为最终形状、加工少、 材料利用率为97%，工艺简单、成本低。
权利要求
1.一种铌硅铁合金发动机零件，其特征在于发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅铁合金按原子百分比由77％～96％的铌、3％～20％硅和1％～3％的铁制成。
2. 根据权利要求l所述的铌硅铁合金发动机零件，其特征在于铌硅铁 合金按原子百分比由82. 5% 90. 5%的铌、8% 15%的硅和1. 5% 2. 5%的铁制成。
3. 制备权利要求l所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征 在于它按以下步骤进行 一、按原子百分比分别称取77% 96%质量纯度》99.9%的铌粉、3% 20%质量纯度》99. 0%的硅粉和1% 3%质量纯度》99. 5%的铁粉混匀，然后采用机械合金化 法制备出复合粉末；二、先计算出铌硅铁合金的密度P及所要制备的发动机零件的体积v， 按照111= P v计算所需经步骤一制备的复合粉末的质量m，称取质量为m的复合粉末并将其再在 室温和压力为200MPa 900MPa的条件下，采用钢模冷压制成相对密度为70% 80%的坯料(3 );三、根据发动机零件的最终尺寸和形状设计加工分瓣石墨模具(2)和石墨套筒(5)， 然后将分瓣石墨模具(2)的型腔(4)的内壁用氮化硼润滑剂均匀涂覆，然后将经步骤二制 备的坯料(3)放入分瓣石墨模具(2)的型腔(4)的上端，再将分瓣石墨模具(2)用石墨 套筒(5)套住，组成待热压件；四、将待热压件置于真空热压烧结炉内，将真空室的真空 度抽至1(^Pa l(^Pa、真空热压烧结炉程序升温至热压温度为M0(rc 170(rC保持 5-10min后，在上压头(1)上施加50MPa 100MPa的压力将坯料(3)压入石墨模具(2)的 型腔(4)中，形成发动机零件(6)，最后随炉冷却至室温，即得到铌硅铁合金发动机零件
4. 根据权利要求3所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征 在于步骤一中机械合金化法制备复合粉末是按如下步骤进行的将称量好的铌粉、硅粉和铁 粉混匀，然后加入到采用不锈刚磨球的球磨罐中，球料质量比为15: 1，再加入占粉末混合 物总质量10%的分析纯的无水乙醇，在质量纯度》99. 999%的氩气的保护下，以100rpm 300rpm的速度球磨20h 30h，干燥，制备出复合粉末。
5. 根据权利要求3或4所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤二中铌硅铁合金的密度P的计算方法是P二^(CNb^Nb+CsypS—CFe/pFe) ，其中C则'C^和CFe.分别为合金中铌、硅和铁的质量百分含量；PNb、和pFe分别为铌、硅和铁的密度。
6 根据权利要求5所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是先以l(TC/min 2(TC/min的速度升温至 800。C 1100。C，接着以10。C/min 15。C/min的速度升温至1300。C 1500。C并保持30min 60min，再以l(TC/min 15TVmin的速度升温至热压温度。
7 根据权利要求3、 4或6所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法， 其特征在于步骤一中按原子百分比分别称取82. 5% 90. 5%质量纯度》99. 9%的铌粉、8% 15%质量纯度》99. 0%的硅粉和1. 5% 2. 5%质量纯度》99. 5%的铁粉。
8 根据权利要求7所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征 在于步骤二中的压力为300MPa 800MPa。
9 根据权利要求3、 4、 6或8所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方 法，其特征在于骤四中真空室的真空度为2><10-31>3~8><10-31){1、压力为60MPa 90MPa
10 根据权利要求9所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特 征在于步骤四中真空热压烧结炉的温度升至150(TC 160(rC。
全文摘要
一种铌硅铁合金发动机零件及其制备方法，它涉及一种发动机零件及其制备方法。本发明解决了目前发动机零件的工作温度低、制备发动机零件的方法复杂、成本高的问题。本发明的铌硅铁合金发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅铁合金按原子百分比由77％～96％的铌、3％～20％硅和1％～3％的铁制成；本发明的方法以铌、硅和铁的粉末为原料，用机械合金化法制备复合粉末后冷压成坯料，在真空热压炉中将石墨模具中的坯料挤压成最终形状的发动机零件。本发明的铌硅铁合金发动机零件适应的工作温度高，满足了现代航空航天发动机的应用要求。
文档编号C22C27/00GK101671789SQ200910308608
公开日2010年3月17日 申请日期2009年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者振 卢, 张凯锋, 王晓丽 申请人:哈尔滨工业大学