[发明专利]一种利用电子束重熔技术提高Nb‑Si基合金抗氧化性的方法

说明书

技术领域

本发明属于超高温合金材料领域，特别涉及一种利用电子束表面重熔技术提高Nb-Si基合金抗氧化性的方法。

背景技术

现代航空发动机的推重比和工作效率等性能指标不断提高，对涡轮叶片等热端部件的工作温度提出了更高的要求。以推重比12-15一级航空发动机为例，其涡轮前端的最高温度可达1800-2000℃，利用超强气冷技术可将叶片温度降低400-500℃，利用热障涂层技术可将叶片温度降低50-150℃，因此对叶片材料本身承温能力的要求达到1200-1400℃。目前，航空发动机用镍基单晶高温合金叶片的使用温度已达到1150℃，仅低于其熔点200℃，在此基础上进一步提高其承温能力非常困难，因而研制承温能力更强的高温结构材料是一项非常紧迫的任务。

Nb-Si基合金主要包括塑韧性的Nb基固溶体相(Nb_SS)和在1600～1800℃下热动力稳定并保持高强度的金属间化合物相Nb₅Si₃。由于其熔点高、密度低，并且在断裂强度、疲劳性能和加工性能等方面具有明显的优势，已成为未来高性能燃气涡轮发动机材料最具潜力的候选者之一，有望应用于先进航空燃气涡轮发动机中某些高温固定部件和高温转动部件。

难熔金属铌在常温下化学性质稳定，但随着温度的升高，在空气中氧化现象严重，形成Nb₂O₅的粉状氧化膜，氧化物的体积较大(Nb₂O₅与基体的体积比约为2.69)，因而氧化膜层中就会产生很大的内应力，当内应力超过了氧化膜本身的强度时，膜层就会出现裂纹，进而发生碎裂脱落。虽然金属间化合物相具有良好的高温抗氧化性，但铌固溶体相较差的抗氧化性能严重降低了Nb-Si合金整体的抗氧化性能，添加Cr、Al等合金元素而形成的多元Nb-Si基合金虽然相对于Nb-Si二元合金已有了相当大的改善，但仍然不能满足高温条件下应用，严重制约了其进一步的发展和应用。

目前，铌及铌基合金的高温抗氧化保护主要途径有合金化保护和表面涂层保护。添加Cr、Ti和Hf等合金元素可在一定程度上改善合金整体的高温抗氧化性，但可能会降低其室温和高温力学性能，这种损失合金强度和加工性能为代价来提高抗氧化性是有限的；制备抗氧化涂层(如Mo-Si-B涂层)能够有效提高合金的抗氧化性，但因涂层材料与Nb-Si基合金的热膨胀系数等物理性能不同，在高温环境中容易产生裂纹而导致涂层的剥落，一旦抗氧化性涂层剥落，裸露的基体合金会发生快速氧化而导致构件的失效。另外，目前Mo-Si-B抗氧化涂层采用的是“两步法”制备而成，即由化学气相沉积Mo层和包埋渗法共渗Si和B，制备工艺复杂，控制因素较多，制备的涂层容易出现孔洞等缺陷。因此，亟需研发一种有效提高Nb-Si基合金高温抗氧化性的方法，以提高Nb-Si基合金的成熟度，为其在新一代航空发动机上的应用奠定基础。

发明内容

本发明正是针对Nb-Si基合金的高温氧化性能不足的问题，提供了一种有效改善Nb-Si基合金高温抗氧化性的方法。在高真空条件下，高能电子束作用于Nb-Si基合金后，表面发生快速熔化和凝固，从而生成组织细化的表面重熔层，同时本发明提供了一种通过预热来抑制脆性Nb-Si基合金快速凝固过程中裂纹萌生的方法。表面重熔层在高温环境中能够抑制外界氧向合金内部扩散，从而在不损害其力学性能的前提下提高了Nb-Si基合金的高温抗氧化性。同时，表面重熔层与基体合金以冶金方式结合，不存在热膨胀系数相差较大而引起失效问题。

本发明提供了一种改善Nb-Si基合金高温抗氧化性的方法，包括以下步骤：

(1)以一定原子比的合金元素为合成原料，制备Nb-Si基合金基板；

(2)将Nb-Si基合金基板固定在工作台上，密封成形腔并抽至高真空状态；

(3)利用高能电子束对Nb-Si基合金基板进行预热；

(4)预热完成后，对Nb-Si基合金表面进行电子束扫描，基板表面形成重熔层；

(5)将未经表面重熔和经电子束表面重熔处理的样品置于氧化铝坩埚中，再放入高温电阻炉中进行高温氧化实验，所有试样在氧化试验之前都将精确的测量尺寸；

(6)氧化试验结束后，利用扫描电镜观察氧化后试样的截面，统计氧化损失厚度和表面氧化膜的厚度。

步骤(1)中所选用的Nb-Si基合金的制备方法包括真空感应熔炼、电弧熔炼、电渣熔炼、定向凝固、粉末冶金。