[发明专利]一种Nb-W合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于难熔金属材料技术领域，涉及一种难熔金属合金及制备方法，特别是Nb-W合金及其化学气相沉积（CVD）技术制备方法。

背景技术

难熔金属材料具有极高的熔点、优异的高温力学性能和良好的耐腐蚀性能以及其他独特的性能而在航天航空、原子能工业、冶金工业、化学工业和医学工业等上有着广泛的应用。在难熔金属中，铌具有密度低（8.6g/cm3），良好的室温塑性和加工性能，因此，作为一种耐高温用的金属结构材料，铌合金具有特别突出的优势。自上世纪60年代至今，铌合金一直是火箭推进器及卫星发动机喷管应用不可或缺的材料之一。上世纪60年代美国研制成功的航天发动机喷管Nb-Hf-Zr（C103）合金，成功应用于阿波罗宇宙飞船以及各类卫星发动机，至今仍然是航天飞行器发动机用主流的高温结构材料。上世纪70年代，我国西北院及其他有关单位对国外的C103合金进行了仿制研究，合金性能达到国外同类合金水平。采用C103合金制备的发动机推力室，广泛应用于卫星、飞船和运载火箭上。为了进一步提高难熔金属喷管材料的工作温度，20世纪90年代美国和俄罗斯开发出了第二代高温铌合金即Nb-W-Mo-Zr合金（Nb521），之后，宁夏东方钽业采用粉末冶金方法生产出了Nb521合金材料，该材料可应用于航天发动机、武器推进器、核反应堆、潜水器、燃气涡轮机、汽车发动机、柴油发动机、高温炉加热带、高温模具、高温夹具和高温坩埚等。

截止目前，国内外生产和研制的铌合金牌号超过50种，其中，三分之二为含W的铌基合金。从相图上，Nb和W元素形成无限固溶体，因此，Nb-W合金主要是固溶强化。为了进一步提高合金的强度，均需要在Nb-W二相合金的基础上添加第三甚至第四种元素形成沉淀相强化，添加的元素主要有Zr、Ti、Ta、Mo、Hf等熔点较高的稀有金属或难熔金属。

目前，制备Nb-W合金的传统主流方法有熔铸法和粉末冶金法。随着材料制备技术的发展，各种制备技术开始应用于难熔金属材料的制备上，如粉末注射成型技术、放电等离子体烧结技术、定向凝固技术、热机械加工技术、电磁共振技术、单晶技术以及化学气相沉积（CVD）技术等。无论是熔铸法还是粉末冶金法，制备Nb-W合金均需要在很高的温度下进行，如凝固铸造法需要将原料升至合金熔化的温度（Nb-10W合金的熔铸温度超过2600℃）；粉末冶金烧结成型需要将粉末压结件加热至2000℃以上的高温。采用熔铸法或粉末冶金法制备的合金锭坯往往需要经过复杂的冷、热加工以及热处理过程才能得到所需要的产品，制备成型过程能耗高；如果需要制备形状较为复杂的Nb-W合金器件，还必须利用机加工方法进行加工。由于Nb-W合金硬度高，机加工难度很大。另外，粉末冶金法制备的产品的密度一般比较低，如果不进行加工处理，Nb-W合金制品的密度很难其理论密度的90%。

早在上世纪40年代，CVD法便开始应用于难熔金属的提纯，并在60年代逐步发展成为一种应用于制备难熔金属材料的工艺。CVD法应用于难熔金属及其合金的制备具有特别的优势：首先，CVD法可大幅降低材料的成型温度。难熔金属或合金的的熔点一般都在2000℃以上，由于CVD制备难熔金属或合金的原理是利用其卤化物热分解沉积成型，可将难熔金属或合金的制备成型温度大幅度降低至1000-1200℃；其次，由于CVD沉积是在气相中进行，能够实现保形沉积，最大限度地减少了后续机械加工，特别适合复杂形状器件（如管材、火箭推进器喷管等）的成型，并在提高原材料利用率的同时降低了材料的制造成本；第三，CVD过程本身是物质的提纯过程和被沉积材料的原子堆积过程，因此，所制备材料的纯度及致密度均很高，密度均能达到其理论密度的99.0%以上；第四，CVD技术制备的材料往往具有组织结构上的择优取向，并不需要借助于加工或第二相沉淀强化即可实现材料优良的力学性能。从以上CVD技术的特点分析，CVD技术特别适合于具有高熔点的难熔金属及合金复杂形状的器件的制备成型。

资料调研检索表明，未发现有与本项目相同成分的Nb-W合金；CVD技术在制备纯难熔金属材料方面获得了较好的发展，但CVD技术应用于难熔金属合金材料的制备报道很少，未见有CVD制备Nb-W合金的报道。本发明结合CVD技术的特点和优势，创造性地将CVD技术引入Nb-W合金的制备，所沉积的Nb-W合金材料具有高强度、高纯度和高致密度的特点。

发明内容