一种NbC复合硅碳化三铌增强Nb基高温合金及其制备方法

摘要

本发明提供了一种NbC复合Nb

说明书

技术领域

本发明属于高温合金材料及粉末冶金技术领域，涉及一种NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金及其制备方法。

背景技术

在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40％～60％。在航空发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件，既要满足零部件高温下保持较高力学性能的要求，又要满足较好的抗高温氧化及耐高温摩擦磨损性能。

目前在涡轮发动机、喷气发动机和热交换器等产品中广泛采用的高温结构材料是镍基超合金，但目前镍基超合金的服役温度(～1100℃)已达到了其熔点的85％，即镍基超合金已经难以满足进一步提高系统工作温度的要求。

作为超高温结构材料使用的铌基高温合金取得工业广泛应用的前提条件是该合金具有良好的低温韧性(保证可加工性能)、高的高温强度、抗氧化性能和耐摩擦磨损性能(延长产品的使用寿命)。以NbC陶瓷相颗粒与Nb₃SiC₂金属间化合物相复合强化Nb基合金为代表的一类高温合金材料具有优良的室温加工性能、耐高温性以及较高的硬度和导电率，在耐高温磨损磨、抗高温氧化等领域有着广阔的应用前景。

目前，采用机械合金化加原位反应高温热压烧结生成NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料的研究尚无报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金及其制备方法。制得的高温合金材料具有优良的室温加工性能、耐高温性以及较高的硬度和导电率，在耐高温磨损磨、抗高温氧化等领域有着广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金的制备方法，包括以下步骤：

按照质量百分比NbC:Si＝(0.9-0.85):(0.1-0.15)，将NbC粉、Si粉装入高能球磨罐中，充入惰性气体后进行机械合金化，机械合金化后的粉体在惰性气体气氛炉中进行无压热处理，处理温度为700℃～1000℃，处理后的粉末称为A粉末；

按照质量百分比A:Nb:C＝(0.33-0.66):(0.6-0.3):(0.07-0.04)配料，将A粉末与Nb粉、石墨粉装入高能球磨罐中，充入惰性气体后进行再进行机械合金化；

取出混合粉体在模具进行热压烧结，烧结温度在1500℃～1700℃，真空度≤10^-2Pa，压力在40MPa-50MPa，在最高烧结温度保温60-180min，随炉冷却，得到NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料。

优选地，NbC粉、Si粉的纯度不低于99.9％。

优选地，NbC粉与Si粉的粒度≤10μm。

优选地，Nb粉、石墨粉的纯度不低于99.9％。

优选地，合金化球磨时间为20-40h。

优选地，惰性气体为氩气。

优选地，将混合粉体放入石墨模具中进行热压烧结。

优选地，升温速度为5～10℃/min。

所述的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金的制备方法制得的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金，其致密度达97.43～98.2％，抗弯强度达2070～2270MPa，断裂韧性达22.4～30.12MPa·m1/2，硬度达80.0～84HRA，1000℃～1400℃抗氧化性能为完全抗氧化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将NbC粉、Si粉装入高能球磨罐中，充入惰性气体后进行机械合金化，机械合金化后的粉体在惰性气体气氛炉中进行无压热处理，将无压热处理的粉末与Nb粉、石墨粉装入高能球磨罐中，充入惰性气体后进行再进行机械合金化；取出混合粉体在模具进行热压烧结，得到NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料。以NbC陶瓷相颗粒与Nb₃SiC₂金属间化合物相复合强化Nb基合金为代表的一类高温合金材料具有优良的室温加工性能、耐高温性以及较高的硬度和导电率，在耐高温磨损磨、抗高温氧化等领域有着广阔的应用前景。

本发明制备NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料的工艺过程简单，成本低廉，所制备的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金主要力学性能指标优异(最高致密度达98.2％，最高抗弯强度达2270MPa，最高断裂韧性达30.12MPa·m1/2，最高硬度达84HRA)，1000℃～1400℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。可以用于磨损、腐蚀和磨蚀交互作用的严酷工况。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

(1)选用纯度不低于99.9％的NbC粉、Si粉为主要原料，按照重量比NbC:Si＝0.9:0.1，要求NbC粉与Si粉的粒度≤10μm。

(2)将NbC粉、Si粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化20h，机械合金化后的粉体在氩气气氛炉中进行无压热处理，处理温度为700℃，处理后的粉末称为A粉末。

(3)将经过热处理的A粉末与纯度不低于99.9％的Nb粉、石墨粉按照重量比A:Nb:C＝0.33:0.6:0.07配料，装入高能球磨罐中，充入氩气后进行再进行机械合金化20h。

(4)取出混合粉体在石墨模具进行热压烧结，烧结温度在1500℃，升温速度在10℃/min，真空度≤10^-2Pa，压力在40MPa，在最高烧结温度保温60min，随炉冷却，得到NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料。

对实施例1制得的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料进行性能测试，其致密度为97.43％，三点弯曲强度为2100MPa，断裂韧性为28.3MPa·m^1/2，硬度为80.0HRA，1000℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

实施例2：

(1)选用纯度不低于99.9％的NbC粉、Si粉为主要原料，按照重量比NbC:Si＝0.85:0.15，要求NbC粉与Si粉的粒度≤10μm。

(2)将NbC粉、Si粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化40h，机械合金化后的粉体在氩气气氛炉中进行无压热处理，处理温度为1000℃，处理后的粉末称为A粉末。

(3)将经过热处理的A粉末与纯度不低于99.9％的Nb粉、石墨粉按照重量比A:Nb:C＝0.66:0.3:0.04配料，装入高能球磨罐中，充入氩气后进行再进行机械合金化40h。

(4)取出混合粉体在石墨模具进行热压烧结，烧结温度在1700℃，升温速度在10℃/min，真空度≤10^-2Pa，压力在50MPa，在最高烧结温度保温180min，随炉冷却，得到NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料。

对实施例1制得的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料进行性能测试，其致密度为98.2％，三点弯曲强度为2070MPa，断裂韧性为22.4MPa·m^1/2，硬度为84.0HRA，1000℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

实施例3：

(1)选用纯度不低于99.9％的NbC粉、Si粉为主要原料，按照重量比NbC:Si＝0.8:0.2，要求NbC粉与Si粉的粒度≤10μm。

(2)将NbC粉、Si粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化30h，机械合金化后的粉体在氩气气氛炉中进行无压热处理，处理温度为800℃，处理后的粉末称为A粉末。

(3)将经过热处理的A粉末与纯度不低于99.9％的Nb粉、石墨粉按照重量比A:Nb:C＝0.4:0.54:0.06配料，装入高能球磨罐中，充入氩气后进行再进行机械合金化20h。

(4)取出混合粉体在石墨模具进行热压烧结，烧结温度在1600℃，升温速度在5℃/min，真空度≤10^-2Pa，压力在50MPa，在最高烧结温度保温100min，随炉冷却，得到NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料。

对实施例3制得的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料进行性能测试，其致密度为97.43％，三点弯曲强度为2270MPa，断裂韧性为27.5MPa·m^1/2，硬度为80.0HRA，1000℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

实施例4：

(1)选用纯度不低于99.9％的NbC粉、Si粉为主要原料，按照重量比NbC:Si＝0.87:0.13，要求NbC粉与Si粉的粒度≤10μm。

(2)将NbC粉、Si粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化20h，机械合金化后的粉体在氩气气氛炉中进行无压热处理，处理温度为800℃，处理后的粉末称为A粉末。

(3)将经过热处理的A粉末与纯度不低于99.9％的Nb粉、石墨粉按照重量比A:Nb:C＝0.5:0.45:0.05配料，装入高能球磨罐中，充入氩气后进行再进行机械合金化30h。

(4)取出混合粉体在石墨模具进行热压烧结，烧结温度在1600℃，升温速度在8℃/min，真空度≤10^-2Pa，压力在50MPa，在最高烧结温度保温180min，随炉冷却，得到NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料。

对实施例4制得的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料进行性能测试，其致密度为98.1％，三点弯曲强度为2140MPa，断裂韧性为25.4MPa·m^1/2，硬度为82.0HRA，1200℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

实施例5：

(1)选用纯度不低于99.9％的NbC粉、Si粉为主要原料，按照重量比NbC:Si＝0.87:0.13，要求NbC粉与Si粉的粒度≤10μm。

(2)将NbC粉、Si粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化20h，机械合金化后的粉体在氩气气氛炉中进行无压热处理，处理温度为700℃，处理后的粉末称为A粉末。

(3)将经过热处理的A粉末与纯度不低于99.9％的Nb粉、石墨粉按照重量比A:Nb:C＝0.33:0.6:0.07配料，装入高能球磨罐中，充入氩气后进行再进行机械合金化40h。

(4)取出混合粉体在石墨模具进行热压烧结，烧结温度在1700℃，升温速度在10℃/min，真空度≤10^-2Pa，压力在40MPa，在最高烧结温度保温100min，随炉冷却，得到NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料。

对实施例5制得的NbC复合Nb₃SiC₂增强Nb基高温合金材料进行性能测试，其致密度为98.0％，三点弯曲强度为2200MPa，断裂韧性为30.12MPa·m^1/2，硬度为82HRA，1400℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

本发明的内容不限于具体实施例所列举，本领域技术人员通过阅读本说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。