一种共晶碳化物强化型钽合金及其制备方法

本发明属于钽合金，尤其涉及一种通过引入均匀弥散的共晶碳化物进行强化的共晶碳化物强化型钽合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着社会和科技的发展，航空航天、导弹武器等领域对高性能耐超高温结构材料的需求越来越迫切。超高声速飞行器的发动机热端、鼻锥、机翼前沿等部件的服役温度已超过1400℃，而目前常用以镍基为主的高温合金，受熔点限制其最高使用温度仅为1200℃，难以满足1400℃以上温度服役的要求，耐温能力满足要求的超高温陶瓷、c-c复合材料等则面临着制备困难、损伤容限和抗热震性能较低等问题，进一步应用受到限制。难熔金属及其合金材料尤其是以ta为基的合金具熔点高(ta的熔点为2996℃)、高温强度高、抗热震性能好等特点，同时还具有优良的加工性能，开发高性能钽合金对满足超高温结构材料的迫切需求具有极大意义。

2、钽合金具有很高的耐热温度和应力载荷，添加其他难熔金属后，其使用温度可达1800℃以上，且抗热震性能好和蠕变强度高。目前科研工作者已开发出一系列钽合金并获得重要应用，如ta-10w合金已用于阿吉娜宇宙飞船的燃烧室和导弹的鼻锥(使用温度在2500℃左右)、火箭发动机喷管的燃气扰流片、阿波罗的燃烧室、宇航核动力装置的强化结构材料等，ta-10w-2.5hf合金用于液体火箭喷管的喷嘴，ta-8w-2hf合金用作空间用包裹热力发动机热源的强化结构材料。在这些钽合金中，虽然添加w、hf等难熔金属元素通过固溶强化作用提升了合金的高温强度，然而固溶元素的添加量需严格控制，否则会影响合金的室温塑性，并且合金成分的微量调控对其力学性能的提升有限，现有钽合金的超高温强度仍需进一步提高。

3、多主元高熵合金是近年来兴起的一种新型合金材料，通过熵调控的概念对合金成分进行重新设计，能够大幅度提高合金的综合性能，选择多种难熔金属元素设计成的难熔高熵合金，在高温条件下能够保持稳定的相结构和优异的强度，如nbmotaw和nbmotawv难熔高熵合金在1400℃下的极限抗压强度能够达到467mpa和707mpa，但存在严重的室温脆性问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种共晶碳化物强化型钽合金及其制备方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种共晶碳化物强化型钽合金，所述合金组成体系为taanbbmocwdce，a、b、c、d和e为各元素对应的原子百分比，其中，40≤a≤60，6≤b≤10，6≤c≤10，10≤d≤20，0＜e≤20，且a+b+c+d+e＝100。

3、本发明还提供上述共晶碳化物强化型钽合金的原位制备方法，包括如下步骤：

4、1)准确称取所需重量的ta、nb、mo、w和c原料，按照低熔点原料在下、高熔点原料在上的顺序摆放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内；

5、2)进行真空电弧熔炼。对样品室抽真空，当真空度高于5×10-3pa后，充入纯度为99.999％的高纯氩气作为保护气体和燃弧介质，熔炼电流为350～450a以保证所有原料能够完全熔化，熔炼5～8遍，每次熔炼过程中电弧至少保持2min，并且在每次熔炼前将铸锭翻转并倾斜40°～50°，最终获得成分均匀的难熔高熵合金铸锭。

6、作为上述技术方案的优选，本发明提供的共晶碳化物强化型钽合金进一步包括下列技术特征的部分或全部：

7、优选地，步骤1)所述ta、nb、mo、w原料为各元素的纯度超过99.9％以上的单质颗粒，所述c原料为高纯石墨。

8、进一步优选，熔炼前清除ta单质颗粒、nb单质颗粒、mo单质颗粒、w单质颗粒表面的氧化层和杂质，并放入乙醇或丙酮中超声清洗，将高纯石墨剪成细小的颗粒。

9、进一步优选，通过改变c元素含量调控微观组织中共晶碳化物组织的比例，随着所添加c元素含量由0增加到15at％再到20at％，该合金的微观组织由亚共晶转变为共晶再转变为过共晶，强度逐渐升高。

10、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种具有优异室温强塑性和超高温强度的钽合金。针对现有钽合金超高温强度不足的问题，本发明利用熵调控的概念在钽合金中添加nb、mo、w元素实现固溶强化，通过添加c元素原位生成弥散分布的具有高熔点的共晶碳化物进行强化，显著提高钽合金的超高温强度，并利用共晶组织的强韧性协调改善室温脆性。该共晶碳化物强化型钽合金在1600℃下的抗压强度超过600mpa，可用于航空航天、国防军工等领域。

11、本发明的另一目的在于提供上述共晶碳化物强化型钽合金的原位制备方法，该方法以各元素的高纯度单质颗粒作为原料，通过真空电弧熔炼的方法制备，操作简单易行，所制备合金中通过凝固过程原位生成的共晶碳化物均匀弥散分布，且相界面具有优异的结合强度。

12、与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点及有益效果：

13、1、本发明在钽合金中添加难熔金属元素mo、nb和w进行固溶强化，并通过添加c元素在凝固过程中原位自生高强度、高熔点共晶碳化物进行强化，获得了高性能共晶碳化物强化型钽合金，丰富了钽合金和碳化物强化型合金体系；

14、2、本发明通过真空电弧熔炼法进行制备，与通过粉末冶金制备钽合金的方法相比，过程简单，操作易行，能够大幅缩短制备周期，凝固过程中发生的共晶反应能够降低熔点，有利于高熔点元素的熔化，所制备铸锭成分和组织结构均匀，并且本发明直接采用各元素的单质颗粒作为原料，操作简单易行，原料利用率高，适合进一步工业推广；

15、3、本发明制备的共晶碳化物强化钽合金中，片层状碳化物通过凝固过程中的共晶反应原位引入，反应效率高，且碳化物均匀弥散分布，两相界面为半共格界面，具有较低的界面能和较高的界面结合强度，在变形过程中能够有效的阻碍合金中的位错滑移，起到优异的强化效果。同时，共晶碳化物呈网状交织分布，共晶碳化物间的难熔高熵合金相能够阻碍碳化物中的裂纹扩展，改善塑性。

16、4、本发明所设计的ta-nb-mo-w-c体系钽合金，通过改变c含量能够调整合金的微观结构(呈现不同的亚共晶、共晶、过共晶组织形态从)，从而实现强度和塑性等性能的调整，其中ta48nb8mo8w16c20成分钽合金的室温抗压强度为2488mpa，塑性应变为6％，在1600℃下的抗压强度高达738mpa，显著优于现有钽合金和耐高温合金材料，并且具备一定的室温加工性能，在超高温结构材料领域具有突出的应用潜力。

17、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

技术特征：

1.一种共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，所述共晶碳化物强化型钽合金的化学式为：taanbbmocwdce，其中，40≤a≤60at％，6≤b≤10at％，6≤c≤10at％，10≤d≤20at％，0＜e≤20at％，且a+b+c+d+e＝100％。

2.根据权利要求1所述的共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，所述共晶碳化物强化型钽合金具有体心立方结构和密排六方结构。

3.根据权利要求2所述的共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，所述体心立方结构为多主元合金相；所述密排六方结构为高熵碳化物相。

4.根据权利要求3所述的共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，所述的多主元合金相为ta、nb、mo和w元素组成的固溶体；高熵碳化物相为含有ta、nb、mo和w的(ta,nb,mo,w)2c固溶体。

5.根据权利要求1所述的共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，当a＝54，b＝9，c＝9，d＝18，e＝10时，则所述共晶碳化物强化型钽合金的化学式为ta54nb9mo9w18c10，其室温压缩强度大于2500mpa，室温压缩塑性应变大于10％，1600℃压缩强度为659mpa。

6.根据权利要求1所述的共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，当a＝51，b＝8.5，c＝8.5，d＝17，e＝15，所述共晶碳化物强化型钽合金的化学式为ta51nb8.5mo8.5w17c15，其室温压缩强度大于2500mpa，室温压缩塑性应变大于15％，1600℃压缩强度为632mpa。

7.根据权利要求1所述的共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，当a＝48，b＝8，c＝8，d＝16，e＝20，所述共晶碳化物强化型钽合金的化学式为ta48nb8mo8w16c20；其室温压缩强度接近2500mpa，室温压缩塑性应变为5％，1600℃压缩强度为734mpa。

8.根据权利要求1所述的共晶碳化物强化型钽合金，其特征在于，当a＝57，b＝9.5，c＝9.5，d＝19，e＝5，所述共晶碳化物强化型钽合金的化学式为ta57nb9.5mo9.5w19c5；其室温压缩强度接近2500mpa，室温压缩塑性应变为14％，1600℃压缩强度接近600mpa。

9.一种制备如权利要求1-8任意一项所述的共晶碳化物强化型钽合金的制备方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法制备得到的共晶碳化物强化型钽合金在室温压缩强度大于2250mpa，室温压缩塑性应变不低于5％，1600℃压缩强度不低于600mpa。

技术总结
本发明提供一种共晶碳化物强化型钽合金及其制备方法。该钽合金中通过加入难熔金属元素Nb、Mo和W进行固溶强化，并通过加入C元素原位生成共晶碳化物进一步强化，组成为Ta<subgt;a</subgt;Nb<subgt;b</subgt;Mo<subgt;c</subgt;W<subgt;d</subgt;C<subgt;e</subgt;，a、b、c、d和e为各元素对应的原子百分比，其中，40≤a≤60，6≤b≤10，6≤c≤10，10≤d≤20，0＜e≤20，且a+b+c+d+e＝100。本发明还提供该共晶碳化物强化型钽合金的原位制备方法，包括：根据合金组成精确称取一定重量的块状Ta、Nb、Mo、W金属原料和石墨颗粒或对应金属的碳化物粉末；通过真空电弧炉进行熔炼。本发明所制备钽合金通过固溶元素及均匀弥散的片层状共晶碳化物进行强化，具备优异的超高温性能，在1200℃以上的高温结构材料领域具有极大的应用前景。

技术研发人员：吴渊,申耀祖,王正奇,王辉,刘雄军,蒋虽合,张晓宾,吕昭平
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8