[发明专利]高韧性Laves相NbFe2基高温结构材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明为一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料及其制备方法，该高温结构材料中存在有Laves相NbFe₂和Fe相。

背景技术

随着航空航天技术的不断发展，对其所用的材料提出了更为苛刻的要求，如要求材料能够承受更高的温度，具有优异的高温抗氧化能力和高温比强度，良好的韧性和加工性，对于新一代大推重比的航空发动机，其涡轮喷气发动机的涡轮前进口温度更是高达1900K，这就要求叶片材料本身的耐温能力要达到1400-1600℃，然而，目前广泛用作航空发动机高温结构材料的镍基高温合金的使用温度已达到1100℃，接近其熔点的80-90%，继续提高其使用温度的空间已经很小。如要发展更高耐温材料，必须寻找新的合金体系，特别是具有低比重、高熔点及优异力学性能，同时兼有优良的高温抗氧化性的材料，这对发展我国航空航天事业有着重大的现实意义和理论价值。

目前使用温度比镍基高温合金高的材料主要有金属间化合物和陶瓷材料这两大类。考虑到利用现有合金装备和快速成形技术，金属间化合物有一定优势。另外，金属间化合物具有密度小、耐高温、耐磨损等优良特性，且同时兼有金属键和共价键，能复合金属和陶瓷材料的某些独特性能，从而有可能发展成为新型的先进高温结构材料。

在金属间化合物中有很大一部分属于拓扑密排Laves相，文献中报道的二元Laves相的种类多达360多种，加上三元Laves相后，Laves相的种类超过了900多种，这为发展新型的先进高温结构材料提供了相当大的选材空间。如倍受关注的Laves相NbFe₂，熔点高达1627℃，具有优异的蠕变抗力，良好的高温抗氧化性和优异的抗热腐蚀性，使用温度可望超过1200℃。与目前Ni基高温合金使用温度相比，有近100℃的提高空间，如此大的提升空间对高温材料来说是非常困难的，因为在Ni基单晶高温合金发展历程中，从第1代发展到第4代，每1代的使用温度提高的空间也只有30℃左右，却要花费数十年的时间进行研制。此外，在奥氏体耐热钢中引入NbFe₂可以提高其高温强度和蠕变抗力。因此，NbFe₂作为高温结构材料具有很大的应用潜力，引起了国内外研究学者的广泛关注。

Laves 相NbFe₂金属间化合物具有作为高温结构材料的应用潜力，但低的室温延展性仍然阻碍其进入工业化应用，因此必须采取措施来改进其室温塑性和韧性。在Laves相NbFe₂中引入韧性金属相是解决该材料室温脆性问题的有效途径之一，通过引入韧性Fe相可以与Laves相NbFe₂形成细小的共晶组织，细小共晶片层和塑性良好的金属Fe相能很好地阻止裂纹在Laves相NbFe₂中扩展，直观的表现为裂纹桥接、裂纹偏转和裂纹钝化，从而达到提高Laves相NbFe₂室温断裂韧性的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料及其制备方法，通过在Laves相NbFe₂中加入过量的Fe，同时控制电弧熔炼条件，在Laves相NbFe₂中引入韧性金属相，来改善了Laves相NbFe₂的室温脆性。以此开发出新型的使用温度可望超过1150℃的金属间化合物基高温结构材料，满足新一代燃气涡轮机及航空发动机用材料需达到1150℃的承温要求。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高韧性Laves相NbFe₂基高温结构材料，所述的高温结构材料由纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁组成，成分范围为3.2-27at%的铌和余量的铁。

该高温结构材料的制备方法为：将按Fe_73-96.8Nb_3.2-27成分称取纯度为99.9%的铌和纯度为99.5%的铁，放入非自耗真空电弧炉中的水冷铜坩埚内，真空度为2×10^-3-6×10^-3Pa，翻转重熔4-5次，每次熔炼时间3-5min。