一种Nb-Si金属间化合物棒材及其制备方法

摘要

本发明公开了一种Nb-Si金属间化合物棒材，由以下原子百分比的原料制成：硅35％～45％，余量为铌和不可避免的杂质。另外，本发明还公开了制备该Nb-Si金属间化合物棒材的方法，该方法为：一、将硅粉和铌粉球磨后烘干得到混合粉末；二、压制成型得到坯料，烧结处理得到Nb-Si金属间化合物烧结体；三、电弧熔炼得到Nb-Si金属间化合物铸锭，切割成半成品棒材；四、电子束区域熔炼得到Nb-Si金属间化合物棒材。本发明Nb-Si金属间化合物棒材具有质量纯度高、氧质量含量低和成分分布均匀的特点，进一步破碎制粉后能够作为制备高温抗氧化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料的强化相，在航空航天领域有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于金属间化合物制备技术领域，具体涉及一种Nb-Si金属间 化合物棒材及其制备方法。

背景技术

高性能飞行器的发展有赖于先进发动机与之匹配，现代的航空航天发 动机不仅推力大，而且推重比不断提高。随着发动机推力和效率的提高， 发动机的涡轮进口温度需不断提高，在涡轮发动机部件中，涡轮叶片的工 作条件最为苛刻，要在1000℃以上高温和腐蚀环境中承受高的应力，而且 还要求使用寿命长，这就要求涡轮叶片材料具有高的抗蠕变性能，良好的 抗腐蚀性能，高的高温持久强度、断裂韧性和疲劳性能等。目前在燃气涡 轮发动机应用的镍基和钴基高温合金材料已经达到了其最高使用温度极 限，即工作温度已达到或超过其熔点的80％。未来的航空发动机要求其热 端关键部件在1100℃以上的高温和复杂负荷条件下长期使用，因此传统的 镍基和钴基高温合金已不能满足下一代高性能的先进发动机的需求。

Nb-Si金属间化合物具有低密度、优良的高温强度及较好的抗氧化性 能成为新一代高温及超高温环境下使用极具潜力的候选材料。然而，目前 采用传统的粉末冶金方法和熔炼方法制备Nb-Si金属间化合物过程中，通 过形成点阵空位而使Nb₅Si₃不按化学计量比，低熔点杂质元素容易占据这 些空位，形成不完美的Nb-Si金属间化合物；同时杂质元素也容易和Nb-Si 金属间化合物形成固溶体；另一方面，采用现有技术制备Nb-Si金属间化 合物过程不可避免的形成低熔点的不稳定相Nb₃Si，即使通过高真空高温 长时间(1800℃×100h)热处理也难以将不稳定Nb₃Si转变为Nb₅Si₃，这 些因素导致了Nb-Si金属间化合物熔点和高温力学性能下降，使得Nb-Si 金属间化合物优越性能得不到完全发挥，限制了它进一步使用范围。

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中的不足，提供一 种Nb-Si金属间化合物棒材，该Nb-Si金属间化合物棒材为主要含有Nb₅Si₃金属间化物相的棒材，具有质量纯度高、氧质量含量低以及成分分布均匀 的特点，进一步破碎制粉后能够作为制备高温抗氧化涂层的原料，也可作 为超高温抗氧化材料的强化相，在航空航天领域有广阔的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Nb-Si金属间化 合物棒材，其特征在于，由以下原子百分比的原料制成：硅35％～45％， 余量为铌和不可避免的杂质。

上述的一种Nb-Si金属间化合物棒材，其特征在于，由以下原子百分 比的原料制成：硅37％～43％，余量为铌和不可避免的杂质。

上述的一种Nb-Si金属间化合物棒材，其特征在于，由以下原子百分 比的原料制成：硅40％，余量为铌和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述Nb-Si金属间化合物棒材的方法， 其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将硅粉和铌粉置于球磨机中，以无水乙醇为分散剂，在转速 为300rpm～400rpm、球料比为(5～10):1的条件下球磨20h～30h，球磨后 在真空条件下烘干，得到混合粉末；所述无水乙醇的体积为硅粉和铌粉质 量之和的0.5～1倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述 坯料置于烧结炉中，在真空度小于5×10^-3Pa的条件下进行烧结处理，随炉 冷却后得到Nb-Si金属间化合物烧结体；所述烧结处理的温度为1450℃ ～1550℃，时间为2h～3h；

步骤三、将步骤二中所述Nb-Si金属间化合物烧结体置于真空自耗电 弧熔炼炉中，在真空度小于1×10^-3Pa的条件下电弧熔炼4～6次，冷却后得 到Nb-Si金属间化合物铸锭，然后将所述Nb-Si金属间化合物铸锭切割加 工成半成品棒材；所述电弧熔炼的熔炼电流为8kA～10kA，熔炼电压为 35V～45V；

步骤四、对步骤三中所述半成品棒材进行打磨去除表面氧化皮，打磨 后将所述半成品棒材在真空度小于2×10^-4Pa的条件下进行电子束区域熔 炼，冷却后得到Nb-Si金属间化合物棒材；所述电子束区域熔炼的熔炼电 流为0.7A～0.9A，熔炼电压为35kV～45kV。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述硅粉的质量纯度不小于99％， 所述铌粉的质量纯度不小于99％。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述烧结处理的温度为1480℃ ～1530℃，时间为2.2h～2.8h。

上述的方法，其特征在于，所述烧结处理的温度为1500℃，时间为 2.5h。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述烘干的温度为90℃～100℃。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明Nb-Si金属间化合物棒材具有质量纯度高、氧质量含量低 以及成分分布均匀的特点，进一步破碎制粉后能够作为制备高温抗氧化涂 层的原料，也可作为超高温抗氧化材料的强化相，在航空航天领域有广阔 的应用前景。

2、本发明采用球磨机机械合金化铌粉和硅粉，一方面使两种粉末原 料混合均匀，另一方面能够使两种粉末原料预合金化，这不但降低了烧结 温度，更重要的是尽可能减少了不稳定相Nb₃Si的生成，采用高真空条件 下进行烧结处理不但降低了混合粉末中氧含量，同时有利于铌粉和硅粉发 生反应。

3、本发明中真空自耗电弧熔炼的工艺过程降低了Nb-Si金属间化合 物烧结体中的氧和其他杂质元素的含量，为下一步进行电子束区域熔炼创 造了条件，电子束区域熔炼的工艺过程深度提纯了棒材，制备得到的Nb-Si 金属间化合物棒材中气体杂质和其他杂质含量非常低。

4、本发明采用优化的成分设计，通过特定的烧结处理+真空自耗电弧 熔炼+电子束区域熔炼的工艺过程，制备得到主要含有Nb₅Si₃金属间化合 物相的Nb-Si金属间化合物棒材，该Nb-Si金属间化合物棒材的质量纯度 为96％～99％、氧质量含量为40ppm～55ppm，进一步破碎制粉后能够作为 制备高温抗氧化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料的强化相，在航 空航天领域有广阔的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的Nb-Si金属间化合物棒材的金相照片。

图2为本发明实施例1制备的Nb-Si金属间化合物棒材的XRD谱图。

具体实施方式

实施例1

本实施例Nb-Si金属间化合物棒材由以下原子百分比的原料制成：硅 40％，余量为铌和不可避免的杂质。

本实施例制备Nb-Si金属间化合物棒材的方法包括以下步骤：

步骤一、将硅粉和铌粉置于球磨机中，以无水乙醇为分散剂，在转速 为350rpm、球料比按质量比计为8:1的条件下球磨25h，球磨后在真空条 件下烘干，得到混合粉末；所述无水乙醇的体积为硅粉和铌粉质量之和的 0.8倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述烘干的温度优选为 95℃；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不 小于99％；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述 坯料置于烧结炉中，在真空度小于5×10^-3Pa的条件下进行烧结处理，随炉 冷却后得到Nb-Si金属间化合物烧结体；所述烧结处理的温度为1500℃， 时间为2.5h，所述坯料为横截面尺寸为50mm(长)×50mm(宽)的条状 坯料；

步骤三、将步骤二中所述Nb-Si金属间化合物烧结体置于真空自耗电 弧熔炼炉中，在真空度小于1×10^-3Pa的条件下电弧熔炼4次，冷却后得到 Nb-Si金属间化合物铸锭，然后将所述Nb-Si金属间化合物铸锭切割加工 成半成品棒材，所述棒材的横截面直径为30mm，长度为800mm；所述电 弧熔炼的熔炼电流为9kA，熔炼电压为40V；

步骤四、对步骤三中所述半成品棒材进行打磨去除表面氧化皮，打磨 后将所述半成品棒材在真空度小于2×10^-4Pa的条件下进行电子束区域熔 炼，冷却后得到Nb-Si金属间化合物棒材；所述电子束区域熔炼的熔炼电 流为0.8A，熔炼电压为40kV。

从图1中可以看出，本实施例制备的Nb-Si金属间化合物棒材微观组织 呈柱状、晶界轮廓清晰，且无明显孔隙，从图2中可以看出，XRD谱图中 没有出现Nb和Si的衍射峰，也没有出现不稳定相Nb₃Si的衍射峰，这表明 Nb和Si几乎完全参与反应，生成了主要含有Nb₅Si₃金属间化合物相的Nb-Si 金属间化合物棒材；本实施例制备的Nb-Si金属间化合物棒材的质量纯度 为99％，氧质量含量为40ppm，进一步破碎制粉后能够作为制备高温抗氧 化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料的强化相，在航空航天领域有 广阔的应用前景。

实施例2

本实施例Nb-Si金属间化合物棒材由以下原子百分比的原料制成：硅 37％，余量为铌和不可避免的杂质。

本实施例制备Nb-Si金属间化合物棒材的方法包括以下步骤：

步骤一、将硅粉和铌粉置于球磨机中，以无水乙醇为分散剂，在转速 为300rpm、球料比按质量比计为10:1的条件下球磨30h，球磨后在真空 条件下烘干，得到混合粉末；所述无水乙醇的体积与硅粉和铌粉质量之和 相等，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述烘干的温度优选为 90℃；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不 小于99％；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述 坯料置于烧结炉中，在真空度小于5×10^-3Pa的条件下进行烧结处理，随炉 冷却后得到Nb-Si金属间化合物烧结体；所述烧结处理的温度为1480℃， 时间为2.8h，所述坯料为横截面尺寸为50mm(长)×50mm(宽)的条状 坯料；

步骤三、将步骤二中所述Nb-Si金属间化合物烧结体置于真空自耗电 弧熔炼炉中，在真空度小于1×10^-3Pa的条件下电弧熔炼5次，冷却后得到 Nb-Si金属间化合物铸锭，然后将所述Nb-Si金属间化合物铸锭切割加工 成半成品棒材，所述棒材的横截面直径为30mm，长度为800mm；所述电 弧熔炼的熔炼电流为8kA，熔炼电压为35V；

步骤四、对步骤三中所述半成品棒材进行打磨去除表面氧化皮，打磨 后将所述半成品棒材在真空度小于2×10^-4Pa的条件下进行电子束区域熔 炼，冷却后得到Nb-Si金属间化合物棒材；所述电子束区域熔炼的熔炼电 流为0.7A，熔炼电压为35kV。

本实施例制备得到了主要含有Nb₅Si₃金属间化合物相的Nb-Si金属间 化合物棒材，该Nb-Si金属间化合物棒材微观组织呈柱状、晶界轮廓清晰， 且无明显孔隙，其质量纯度为97.6％，氧质量含量为40ppm，进一步破碎 制粉后能够作为制备高温抗氧化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料 的强化相，在航空航天领域有广阔的应用前景。

实施例3

本实施例Nb-Si金属间化合物棒材由以下原子百分比的原料制成：硅 43％，余量为铌和不可避免的杂质。

本实施例制备Nb-Si金属间化合物棒材的方法包括以下步骤：

步骤一、将硅粉和铌粉置于球磨机中，以无水乙醇为分散剂，在转速 为400rpm、球料比按质量比计为5:1的条件下球磨20h，球磨后在真空条 件下烘干，得到混合粉末；所述无水乙醇的体积为硅粉和铌粉质量之和的 0.5倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述烘干的温度优选为 100℃；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度 不小于99％；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述 坯料置于烧结炉中，在真空度小于5×10^-3Pa的条件下进行烧结处理，随炉 冷却后得到Nb-Si金属间化合物烧结体；所述烧结处理的温度为1530℃， 时间为2.2h，所述坯料为横截面尺寸为50mm(长)×50mm(宽)的条状 坯料；

步骤三、将步骤二中所述Nb-Si金属间化合物烧结体置于真空自耗电 弧熔炼炉中，在真空度小于1×10^-3Pa的条件下电弧熔炼6次，冷却后得到 Nb-Si金属间化合物铸锭，然后将所述Nb-Si金属间化合物铸锭切割加工 成半成品棒材，所述棒材的横截面直径为30mm，长度为800mm；所述电 弧熔炼的熔炼电流为10kA，熔炼电压为45V；

步骤四、对步骤三中所述半成品棒材进行打磨去除表面氧化皮，打磨 后将所述半成品棒材在真空度小于2×10^-4Pa的条件下进行电子束区域熔 炼，冷却后得到Nb-Si金属间化合物棒材；所述电子束区域熔炼的熔炼电 流为0.9A，熔炼电压为45kV。

本实施例制备得到了主要含有Nb₅Si₃金属间化合物相的Nb-Si金属间 化合物棒材，该Nb-Si金属间化合物棒材微观组织呈柱状、晶界轮廓清晰， 且无明显孔隙，其质量纯度为98.1％，氧质量含量为50ppm，进一步破碎 制粉后能够作为制备高温抗氧化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料 的强化相，在航空航天领域有广阔的应用前景。

实施例4

本实施例Nb-Si金属间化合物棒材由以下原子百分比的原料制成：硅 35％，余量为铌和不可避免的杂质。

本实施例制备Nb-Si金属间化合物棒材的方法包括以下步骤：

步骤一、将硅粉和铌粉置于球磨机中，以无水乙醇为分散剂，在转速 为380rpm、球料比按质量比计为9:1的条件下球磨22h，球磨后在真空条 件下烘干，得到混合粉末；所述无水乙醇的体积为硅粉和铌粉质量之和的 0.8倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述烘干的温度优选为 100℃；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度 不小于99％；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述 坯料置于烧结炉中，在真空度小于5×10^-3Pa的条件下进行烧结处理，随炉 冷却后得到Nb-Si金属间化合物烧结体；所述烧结处理的温度为1450℃， 时间为3h，所述坯料为横截面尺寸为50mm(长)×50mm(宽)的条状坯 料；

步骤三、将步骤二中所述Nb-Si金属间化合物烧结体置于真空自耗电 弧熔炼炉中，在真空度小于1×10^-3Pa的条件下电弧熔炼6次，冷却后得到 Nb-Si金属间化合物铸锭，然后将所述Nb-Si金属间化合物铸锭切割加工 成半成品棒材，所述棒材的横截面直径为30mm，长度为800mm；所述电 弧熔炼的熔炼电流为8.5kA，熔炼电压为37V；

步骤四、对步骤三中所述半成品棒材进行打磨去除表面氧化皮，打磨 后将所述半成品棒材在真空度小于2×10^-4Pa的条件下进行电子束区域熔 炼，冷却后得到Nb-Si金属间化合物棒材；所述电子束区域熔炼的熔炼电 流为0.75A，熔炼电压为39kV。

本实施例制备得到了主要含有Nb₅Si₃金属间化合物相的Nb-Si金属间 化合物棒材，该Nb-Si金属间化合物棒材微观组织呈柱状、晶界轮廓清晰， 且无明显孔隙，其质量纯度为96％，氧质量含量为52ppm，进一步破碎制 粉后能够作为制备高温抗氧化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料的 强化相，在航空航天领域有广阔的应用前景。

实施例5

本实施例Nb-Si金属间化合物棒材由以下原子百分比的原料制成：硅 45％，余量为铌和不可避免的杂质。

本实施例制备Nb-Si金属间化合物棒材的方法包括以下步骤：

步骤一、将硅粉和铌粉置于球磨机中，以无水乙醇为分散剂，在转速 为320rpm、球料比按质量比计为6:1的条件下球磨28h，球磨后在真空条 件下烘干，得到混合粉末；所述无水乙醇的体积为硅粉和铌粉质量之和的 0.6倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述烘干的温度优选为 90℃；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不 小于99％；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述 坯料置于烧结炉中，在真空度小于5×10^-3Pa的条件下进行烧结处理，随炉 冷却后得到Nb-Si金属间化合物烧结体；所述烧结处理的温度为1550℃， 时间为2h，所述坯料为横截面尺寸为50mm(长)×50mm(宽)的条状坯 料；

步骤三、将步骤二中所述Nb-Si金属间化合物烧结体置于真空自耗电 弧熔炼炉中，在真空度小于1×10^-3Pa的条件下电弧熔炼5次，冷却后得到 Nb-Si金属间化合物铸锭，然后将所述Nb-Si金属间化合物铸锭切割加工 成半成品棒材，所述棒材的横截面直径为30mm，长度为800mm；所述电 弧熔炼的熔炼电流为9.5kA，熔炼电压为42V；

步骤四、对步骤三中所述半成品棒材进行打磨去除表面氧化皮，打磨 后将所述半成品棒材在真空度小于2×10^-4Pa的条件下进行电子束区域熔 炼，冷却后得到Nb-Si金属间化合物棒材；所述电子束区域熔炼的熔炼电 流为0.85A，熔炼电压为42kV。

本实施例制备得到了主要含有Nb₅Si₃金属间化合物相的Nb-Si金属间 化合物棒材，该Nb-Si金属间化合物棒材微观组织呈柱状、晶界轮廓清晰， 且无明显孔隙，其质量纯度为96.8％，氧质量含量为55ppm，进一步破碎 制粉后能够作为制备高温抗氧化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料 的强化相，在航空航天领域有广阔的应用前景。

实施例6

本实施例Nb-Si金属间化合物棒材由以下原子百分比的原料制成：硅 38％，余量为铌和不可避免的杂质。

本实施例制备Nb-Si金属间化合物棒材的方法包括以下步骤：

步骤一、将硅粉和铌粉置于球磨机中，以无水乙醇为分散剂，在转速 为350rpm、球料比按质量比计为9:1的条件下球磨25h，球磨后在真空条 件下烘干，得到混合粉末；所述无水乙醇的体积为硅粉和铌粉质量之和的 0.8倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述烘干的温度优选为 95℃；优选地，所述硅粉的质量纯度不小于99％，所述铌粉的质量纯度不 小于99％；

步骤二、将步骤一中所述混合粉末压制成型，得到坯料，然后将所述 坯料置于烧结炉中，在真空度小于5×10^-3Pa的条件下进行烧结处理，随炉 冷却后得到Nb-Si金属间化合物烧结体；所述烧结处理的温度为1500℃， 时间为2.5h，所述坯料为横截面尺寸为50mm(长)×50mm(宽)的条状 坯料；

步骤三、将步骤二中所述Nb-Si金属间化合物烧结体置于真空自耗电 弧熔炼炉中，在真空度小于1×10^-3Pa的条件下电弧熔炼4次，冷却后得到 Nb-Si金属间化合物铸锭，然后将所述Nb-Si金属间化合物铸锭切割加工 成半成品棒材，所述棒材的横截面直径为30mm，长度为800mm；所述电 弧熔炼的熔炼电流为10kA，熔炼电压为35V；

步骤四、对步骤三中所述半成品棒材进行打磨去除表面氧化皮，打磨 后将所述半成品棒材在真空度小于2×10^-4Pa的条件下进行电子束区域熔 炼，冷却后得到Nb-Si金属间化合物棒材；所述电子束区域熔炼的熔炼电 流为0.9A，熔炼电压为45kV。

本实施例制备得到了主要含有Nb₅Si₃金属间化合物相的Nb-Si金属间 化合物棒材，该Nb-Si金属间化合物棒材微观组织呈柱状、晶界轮廓清晰， 且无明显孔隙，其质量纯度为98.8％，氧质量含量为50ppm，进一步破碎 制粉后能够作为制备高温抗氧化涂层的原料，也可作为超高温抗氧化材料 的强化相，在航空航天领域有广阔的应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。