[发明专利]一种镍锆合金薄带材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种镍锆合金薄带材料及制备方法，显微组织为等轴晶包晶相，合金成分为22～24wt.％的Zr，76～78wt.％的Ni。通过配料、熔炼、安装、抽真空、加热和薄带成型步骤制备而成。控制铜辊面的线速度10～25m/s，加热使熔体过热度至50～300K，凝固过程的冷却速率为1.0×10³～1.0×10⁷K/s，凝固速度为20～50m/s。镍锆合金薄带材料原料仅含有Ni和Zr两种元素，元素配比简单，价格低廉易得；工艺简单，耗时较少，过程容易；抑制镍锆包晶合金初生相的形成，得到细化的包晶相合金薄带，其厚度为30～150μm，所得镍锆合金薄带材料的维氏硬度为670～715HV。

技术领域

本发明镍基高温合金材料领域，涉及一种镍锆合金薄带材料及制备方法。

背景技术

高温合金由于在900K以上的氧化气氛仍能承受较大的应力而广泛应用于航天、航空核反应堆、石油化工等领域。一般可将高温合金按基体分为铁基、钴基和镍基三类。镍基高温合金是这三种中发展最快，使用最广的，高温强度最高一种高温合金。与铁基高温合金相比，镍基高温合金具有良好的导热性、较高的组织稳定性；与钴基高温合金相比，镍基高温合金，具有比重轻、价格低、强度高和抗氧化性好等优点。

许多重要的镍基高温合金都是包晶合金，包晶合金凝固过程中，包晶反应的发生需要初生相和液相的相互接触。然而，包晶反应过程中，初生相和液相反应生成的包晶相将附着于初生相表面，并随着包晶反应的进行，包晶相逐渐完全包裹初生相。此时，包晶相完全阻碍了初生相与液相的接触，包晶反应发生条件不能满足，难以继续进行。因此，合金熔体凝固至室温时，包晶合金残留了大量的初生相在最终的凝固组织中，这严重影响了包晶合金的性能，制约了包晶合金的应用。镍锆包晶合金是一种典型的镍基高温合金，但由于硬度和强度极差的初生相残留在最终凝固组织中，导致了镍锆包晶合金的各项应用性能指标严重下降。

目前已有的技术很难使镍基高温合金整体都达到高硬度或强度水平，普通的镍铌高温合金硬度只有250～300HV。经过钪，锆增强的镍铌合金力学性能有了一定的改善(专利号为CN 103695715 B)，钪的加入有益于烧结，能够细化组织，锆的加入提升了高温稳定性。同时加入镧和钕抑制镍晶粒的长大，进一步细化组织，提高力学性能。但效果有限，镍铌合金的硬度也仅为450～550HV。而且由于多种元素的加入，很难实现制备过程的精确调控，成本较高。镍基高温合金INCONEL 740由于热处理过程中涉及固态相变较多，生成组织复杂，稳定性差。同时，对保温温度参数十分敏感，很难使合金性能达到最优化。并且保温时间超过1000小时，需要消耗大量的时间，见文献：Zhao S,Xie X,Smith G D,etal.Microstructural stability and mechanical properties of a new nickel-basedsuperalloy[J].Materials ScienceEngineering A,2003,355(1):96-105.。多晶镍基高温合金René88DT由于晶粒尺寸变化范围大，1μm到100μm不等，导致材料各个区域的力学性能差别较大，很难保证材料整体区域性能的稳定性见文献：Miao J,Pollock T M,Jones JW.Crystallographic fatigue crack initiationin nickel-based superalloy René88DT at elevated temperature[J].Acta Materialia,2009,57(20):5964-74.。GH4169镍基高温合金经过时效工艺改善后硬度最高为592HV，但是为了充分改善力学性能，需要100小时以上的保温时间以及40％的变形引进大量位错进行增强，工艺复杂，实施困难，见文献：张凌峰,熊毅,王延枝.变形对镍基高温合金GH4169长期时效过程的影响[J].热加工工艺,2011,40(22):143-5.。超塑性Ni-8Zr共晶纳米晶合金具有高强度的特性，抗拉强度可达2633MPa，但其制备困难，需要生成大量的初生相纳米晶来提高强度，见文献：Park J M,KimT E,Sohn S W,et al.High strength Ni–Zr binary ultrafine eutectic-dendritecomposite with large plastic deformability[J].Applied Physics Letters,2008,93(3):031913；况且，许多使用环境下，镍基高温合金零部件只需在表面部分保持较高的力学性能就能满足使用要求。