[发明专利]一种Nb-Si基多元合金的组织控制制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改变Nb-Si基多元合金的组织控制方法，更特别地说，是指一种采用非平衡快速定向凝固和热处理的组合工艺对Nb-Si基多元合金组织进行组织控制的制备方法。

背景技术

定向凝固(directional solidification)是一种利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的原理，控制热流方向，使铸件沿规定方向结晶的铸造技术。

随着航空航天事业的发展，对新一代航空发动机的推重比提出了更高要求，而发动机性能的提高强烈依赖于涡轮叶片材料。目前使用的涡轮叶片材料是镍基合金和钴基合金，其最高工作温度约为1150℃，该温度已经接近其熔点的85％，进一步提高合金工作温度的成本高、提升幅度小。因此，迫切需要研制一种新型超高温、综合性能优良的合金。Nb-Si基合金因其密度低、熔点高、高温强度优良等特点被广泛关注。

在2011年6月第28卷第3期《复合材料学报》中公开了“高铬Nb-Si金属间化合物基复合材料的定向凝固组织”。文中介绍了采用液态金属冷却定向凝固技术制备了高铬Nb-Si金属间化合物基复合材料，分析了不同熔化温度和凝固速度下复合材料的相组成及组织特征。结果表明：Nb-22Ti-17Cr-16Si-2Al-2Hf(原子分数)合金相组成为Nbss、α-Nb₅Si₃、Laves相NbCr₂和少量的(Nbss+Nb₅Si₃)共晶，定向凝固没有改变复合材料的相组成。熔化温度为1550℃时，Nbss相呈颗粒状，Nb₅Si₃相呈随机分布的块状或短板条状；随着熔化温度的提高，Nbss转变为枝晶状且沿轴向定向生长，Nb₅Si₃相转变为有一定定向效果的长板条状。随着凝固速度的增大，组织明显细化且定向效果增强，凝固速度为18mm/min时，Nb₅Si₃呈定向效果良好的细长条状。

目前综合性能较好的Nb-Si基合金为在Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf六元合金基础上添加B，V，Sn，Y等强化、韧化或抗氧化元素构成的多元合金，其组成相通常包括固溶体相(Nb_ss)、硅化物相(Nb₅Si₃/Nb₃Si)和Laves相Cr₂Nb，该合金依靠固溶体相(Nb_ss)室温增韧，硅化物相(Nb₅Si₃/Nb₃Si)高温增强，通过添加Cr形成Cr₂Nb相或固溶在Nb_ss相中而改善高温抗氧化性能，可以作为在1150～1400℃范围内使用的高温结构材料。但是采用真空电弧熔炼、感应熔炼、光悬浮区熔定向凝固等常规工艺制备Nb-Si基合金的组织粗大，具体体现在Nb₅Si₃和Cr₂Nb相呈现出棱角分明的大块状或板条状，而且后续热处理无法使常规工艺制备Nb-Si基合金组织中的大块硅化物和Laves相彻底破碎、尺寸变小，这会在后续变形或使用过程中引起应力集中成为裂纹源，显著降低材料的室温塑性和延性。因此，如何控制Nb-Si基合金中Nb₅Si₃和Cr₂Nb相形貌和尺寸成为解决室温塑性和韧性间题的关键所在。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用非平衡快速定向凝固和热处理的组合工艺对Nb-Si基多元合金组织进行组织控制的制备方法，该方法通过有效控制Nb-Si基多元合金的组织形貌，获得细小、均匀且致密的微观组织，使韧性固溶体相(Nb_ss)为基体，硅化物相Nb₅Si₃成蠕虫状均匀分布在基体上，Laves相Cr₂Nb成颗粒状均匀分布在基体上或固溶于基体之中。