[发明专利]一种Nb‑Ti‑Ta‑C合金棒材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金棒材技术领域，具体涉及一种Nb-Ti-Ta-C合金棒材及其制备方法。

背景技术

铌(Nb)在难熔金属中比重最小，铌合金与其它难熔金属相比有较高的比强度、优良的塑性，加工性能和可焊性，同时它还具有小的热中子吸收截面和抗液体金属侵蚀能力。作为高温结构材料，铌合金具有较好的高温强度，良好的加工成形性能，在过去几十年里在航空航天领域得到了广泛的应用。但是，随着航空航天技术和国防工业的发展，要求高温结构材料在1200℃以上高温和氧化环境中承受高的应力。为了提高铌合金的高温强度，传统的高强铌合金是在铌中添加大量的高熔点难熔金属(如W、Mo、Ta和Hf等)进行固溶强化，提高铌合金的使用温度。由于合金化程度很高，晶格产生严重的畸变，使铌合金的塑性严重下降，材料的加工性能变差，成品率很低，而且单一的固溶强化机制难以大幅提高铌合金的高温力学性能；同时，由于引入了大量的W、Mo、Ta和Hf等元素，使铌合金的比重变大和严重恶化了高温抗氧化性能，不利于在航空航天上的应用。另一种高强铌合金是NbC弥散强化铌合金，虽然NbC具有高熔点、高硬度和高的弹性模量，能显著提高铌合金的高温强度，但NbC偏聚严重，使材料的塑性严重下降，加工成形困难，并且降低了材料使用的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种Nb-Ti-Ta-C合金棒材。该合金棒材室温抗拉强度为1060MPa～1205MPa、室温延伸率为13％～20％，在1400℃条件下的抗拉强度为312MPa～415MPa，在1400℃空气环境中氧化100h后合金棒材的损失0.18mg/cm²～0.093mg/cm²，由此证明该Nb-Ti-Ta-C合金棒材具有优异的高温强度，较好的室温塑性和高温抗氧化性能，能够在超高温空气环境中使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Nb-Ti-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Ti 25％～35％，Ta 5％～15％，C 0.2％～0.6％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的Nb-Ti-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Ti 28％～32％，Ta 8％～12％，C 0.3％～0.5％，余量为Nb和不可避免的杂质。

上述的Nb-Ti-Ta-C合金棒材，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Ti 30％，Ta 10％，C 0.4％，余量为Nb和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述的Nb-Ti-Ta-C合金棒材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将钛粉、钽粉和碳粉置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至炉内气压小于5×10^-4Pa，然后向抽真空后的非自耗真空电弧炉内通入氩气，在氩气气氛保护下，在熔炼温度为3000～3300℃下熔炼1～3次，得到成分均匀的Ti-Ta-C中间合金；

步骤二、对步骤一中所述Ti-Ta-C中间合金进行机械破碎，得到中间合金粉体，然后向中间合金粉体中添加铌粉，混合均匀后压制成电极；

步骤三、将步骤二中所述电极置于真空自耗电弧炉中，在真空度不大于5×10^-2Pa的条件下电弧熔炼1～3次，随炉冷却后进行扒皮处理，得到铸锭；所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA～10kA，所述电弧熔炼的熔炼电压为35V～45V；

步骤四、将步骤三中所述铸锭在挤压温度为1100℃～1300℃，挤压比为5～9的条件下进行挤压，冷却后进行扒皮处理，得到Nb-Ti-Ta-C合金棒材。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述钛粉、钽粉和碳粉的质量纯度均不小于99.5％。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述铌粉的质量纯度不小于99.5％。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述中间合金粉体的粒度不大于100μm。

上述的方法，其特征在于，步骤四中所述挤压温度为1150℃～1250℃，挤压比为6～8。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用非自耗真空电弧熔炼方法制备Ti-Ta-C中间合金，在非自耗真空电弧熔炼过程中Ti与C发生反应生成TiC，Ta与C发生反应生成TaC，然后再采用真空自耗电弧熔炼+热挤压工艺过程制备Nb-Ti-Ta-C合金棒材，粗大的树枝晶组织完全被破碎和细化，并且TiC和TaC陶瓷相弥散均匀分布在Nb基体中。