[发明专利]一种改善Nb‑Si基多元合金室温断裂韧性的方法

说明书

技术领域

本发明公开一种改善Nb-Si基多元合金室温断裂韧性的方法，属于超高温结构材料领域，特别涉及通过等离子旋转电极雾化技术和放电等离子烧结技术相结合改善Nb-Si基多元合金室温断裂韧性。

背景技术

随着现代航空航天技术的不断发展，对先进燃气涡轮发动机的涡轮前温度和推重比提出了更高的要求，高推重比发动机要求叶片材料本身的承温能力达到1200～1400℃。目前最先进的叶片材料——第三代镍基单晶合金的承温能力约为1150℃，并已达到其熔点的85％，接近其极限使用温度，不能满足高推重比航空航天发动机的设计要求。因此，研制具有更高承温能力的超高温结构材料迫在眉睫。

Nb-Si基超高温合金，也称Nb-Si基自生复合材料，具有高熔点(>1750℃)、低密度(6.6-7.2g/cm³)、良好的高温强度及一定的断裂韧性、疲劳性能和可加工性等优点，是极具竞争力的新型高温结构材料之一。作为超高温结构材料，必须满足室温韧性、高温强度和抗氧化性等综合性能的平衡。Nb-Si基合金主要由Nb基固溶体(Nb_SS)和硅化物Nb₅Si₃组成，根据复合材料设计原理，Nb_SS相提供室温塑韧性而Nb₅Si₃相提供高温强度，同时添加Cr元素而形成Cr₂Nb相，可提高Nb-Si基多元合金的高温抗氧化性能。调整Nb_SS、Nb₅Si₃和Cr₂Nb三相含量可以在一定程度上获得室温韧性、高温强度和抗氧化性等综合性能匹配。

室温韧性是超高温结构材料所要求的重要性能指标之一，目前采用铸造方法制备的凝固组织晶粒粗大且成分分布不均匀，Nb_SS相往往发生解理断裂，不能充分发挥其韧化作用，造成Nb-Si基合金室温韧性低，是制约该合金实际应用的一大瓶颈。现阶段采用的提高Nb-Si基多元合金室温断裂韧性的方法主要是加入韧化Nb的元素Ti和Hf以及使用定向凝固技术。添加Ti韧化Nb_SS可提高Nb-Si基合金的断裂韧性，但随着Ti含量的增加，合金承温能力降低；定向凝固技术可以减少缺陷，降低合金的缺口敏感性而改善韧性，但制备工艺复杂，Nb_SS相依然发生解理断裂，难以完全保证室温断裂韧性。因此，仍需继续研发一种有效改善Nb-Si基多元合金室温断裂韧性的方法，以保证作为航空发动机叶片材料的Nb-Si基多元合金在服役过程中的可靠性。

发明内容

本发明正是针对铸态Nb-Si基多元合金室温断裂韧性较差的问题，在兼顾高温强度的前提下，提供了一种改善Nb-Si基多元合金室温断裂韧性的方法。先利用等离子旋转电极雾化技术制备出球形、无偏析、组织细小均匀的Nb-Si基多元合金粉末，再以该粉末为原料利用放电等离子烧结技术制备Nb-Si基多元合金锭(以后简称粉末冶金合金)，获得微米-亚微米级的Nb_SS/Nb₅Si₃两相组织，这时Nb_SS相室温断裂式由铸态条件下的解理型断裂转变成韧窝型断裂，大幅改善了Nb-Si基多元合金室温断裂韧性。本发明提供了一种改善Nb-Si基多元合金室温断裂韧性的方法，包括以下步骤：

(1)以一定原子比的Nb-Si基多元合金元素为合成原料，制备Nb-Si基多元合金棒；

(2)将Nb-Si基多元合金棒固定在等离子旋转电极设备的装样室，密封装置抽真空后充入保护气体进行气氛保护；

(3)设定等离子枪功率、等离子弧电流和电极棒转速等工艺参数，使高速旋转的Nb-Si基多元合金棒料端部熔化，在离心力作用下熔化体雾化成液滴飞射出去，同时在惰性气体中冷却，液滴凝固成Nb-Si基多元合金球形粉末颗粒；

(4)利用放电等离子烧结炉，在一定的热压温度、压力和保压时间下对Nb-Si基多元合金粉末进行烧结，使致密化过程在极短时间内完成，烧结完成后试样进行随炉冷却；关闭系统，待部件冷却至室温时取出，整个粉末冶金合金的制备过程是在真空条件下进行。

(5)用线切割机床从粉末冶金合金锭与非自耗真空电弧熔炼制得的铸态合金锭(以后简称铸态合金)中切取单边缺口三点弯曲试样；利用电子万能试验机对试样进行三点弯曲试验，算出断裂韧性，并取平均值。