專利名稱：一種高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著航天航空和國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料的高溫力學(xué)和抗氧化性能提出了更高、更苛刻的要求，而目前廣泛使用的鎳基超合金等高溫合金因其自身的局限(最高服役溫度不能超過1100°c)已經(jīng)成為制約相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。目前的研究結(jié)果表明，由于鉬-硅-硼合金具有高熔點(diǎn)、良好的抗氧化性能和高溫抗蠕變性能而最有潛力取代鎳基超合金，因而鉬-硅-硼合金也成為了下一代高溫結(jié)構(gòu)材料的最佳候選材料。銷-硅-硼合金是指由Mo5Si3、Mo5SiB2 (T2相)和Mo3Si三相組成以及由α -Mo、 Mo3Si和Mo5SW2(Τ2相)三相組成的合金。其中前者具有極其優(yōu)異的抗氧化能力，但室溫?cái)嗔秧g性較低；后者抗氧化性沒有前者強(qiáng)，但由于α-Mo為延性相(相對(duì)于Mo3Si和Mo5SiB2 而言)，使該合金的室溫和高溫?cái)嗔秧g性得到明顯提高。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫合金中摻雜納米氧化鑭，可以改善其微觀組織，降低偏聚并強(qiáng)化晶界，改善合金的抗氧化性能。因此，在一定范圍內(nèi)，納米氧化鑭(La2O3)的摻雜可以細(xì)化鉬-硅-硼合金晶粒，提高合金材料的致密度， 增加合金材料的強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度，改善合金材料組織均勻性、抗蠕變性能和延展性。目前制備鉬-硅-硼合金材料的方法有電弧熔煉法、粉末冶金法以及等離子活化燒結(jié)法(SPQ。由于通過電弧熔煉的得到的合金形狀不規(guī)整，且由于一般采用水冷銅模冷卻而存在嚴(yán)重的成分偏析，導(dǎo)致明顯的宏觀微裂紋，限制了該法的應(yīng)用。傳統(tǒng)的粉末冶金法也因?yàn)槠錈Y(jié)溫度的局限而導(dǎo)致成分不均勻、反應(yīng)不充分，影響合金的力學(xué)性能和抗氧化性能。等離子活化燒結(jié)法(SPS)雖然縮短了燒結(jié)時(shí)間，但由于燒結(jié)壓力偏低、制備出來(lái)的試樣較小從而限制材料的工程應(yīng)用。盡管如此，電弧熔煉法也具有工藝穩(wěn)定、成分均勻、反應(yīng)充分的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的真空熱壓燒結(jié)主要是由通電發(fā)熱體產(chǎn)生的焦耳熱和加壓造成的塑性變形這兩個(gè)因素來(lái)促使燒結(jié)過程的進(jìn)行。因此，采用電弧熔煉+真空熱壓燒結(jié)的方法則可以結(jié)合兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺點(diǎn)，獲得經(jīng)過充分反應(yīng)而又晶粒細(xì)小、組織均勻的高致密度塊體材料。因此，利用電弧熔煉法和真空熱壓燒結(jié)法具有的優(yōu)點(diǎn)如可獲得反應(yīng)充分、晶粒細(xì)小、組織均勻和高致密度的塊體材料等特性來(lái)制備納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金材料，并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，可望解決目前很難制備出高性能塊體鉬-硅-硼合金材料的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有實(shí)際可操作性的高性能納米氧化鑭摻雜銷-娃-硼合金的制備方法，采用本發(fā)明方法制備的納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金具有微觀組織均勻，高致密度和高強(qiáng)度的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的硅粉和硼粉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為3. 0-5. 0%和1. 0-3. 0%，氧化鑭的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0-0. 9%，其余為鉬粉進(jìn)行球磨混合，球磨混料工藝為Ar氣氣氛，壓強(qiáng)為0. 3-0. 6MPa, 球料比為1 1到3 1，轉(zhuǎn)速為150-250r/min，時(shí)間為8-15h ；將球磨后的粉末進(jìn)行預(yù)壓預(yù)燒結(jié)處理，預(yù)壓工藝鋼質(zhì)模具，內(nèi)徑為30-60mm，壓力為10_30MPa，預(yù)燒結(jié)工藝真空無(wú)壓燒結(jié)，溫度為1000°C -1500°C，時(shí)間為l_4h ；之后在電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉工作電流為800-1000A，時(shí)間為2-3min，反復(fù)熔煉三到六次；將熔煉后的合金錠粉碎并在高能球磨機(jī)中球磨制粉，球磨參數(shù)Ar氣氣氛，壓強(qiáng)為0. 3-0. 6MPa ；轉(zhuǎn)速為350-450r/min，時(shí)間為30-60min，之后停機(jī)30_60min，繼續(xù)球磨，轉(zhuǎn)速為250_350r/min，時(shí)間為Hh ；如此經(jīng)過三到六個(gè)循環(huán)后停機(jī)30-60min，再繼續(xù)球磨，轉(zhuǎn)速為150-250r/min，時(shí)間2_3h，制備出鉬-硅-硼合金粉末；將經(jīng)200-300目泰勒篩篩分處理后的合金粉末裝入石墨模具中，在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)過程中真空度保持在8. 5 X 10 到3. 5 X 10 之間，升溫速度為10-30°C /min，升溫過程中采用兩步法升溫至熱壓燒結(jié)溫度，第一步升溫至 1000-1200°C，保溫0. 5-1. 5h，再升溫至熱壓燒結(jié)溫度，熱壓燒結(jié)溫度為1500-1700°C，保壓過程中軸向壓強(qiáng)為30-50MPa，熱壓燒結(jié)保溫時(shí)間為l_3h，燒結(jié)后隨爐冷卻到室溫后取出模具，將脫模后得到的燒結(jié)體加工去除表層0. 3-0. 5mm,即得到納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金材料。本發(fā)明解決的技術(shù)關(guān)鍵在于將電弧熔煉法和熱壓燒結(jié)法結(jié)合起來(lái)，選擇合適的制粉方法和燒結(jié)工藝，使得所制備的鉬-硅-硼合金的組織均勻、結(jié)構(gòu)致密，晶粒尺寸細(xì)小均勻，從而保證了所得到的鉬-硅-硼合金材料具有高致密度和高強(qiáng)度等優(yōu)異性能。
具體實(shí)施例方式第一步球磨混料以鉬粉、硅粉、硼粉為原料，摻雜不同含量的納米氧化鑭，其中硅粉和硼粉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為3. 0-5. 0%和1. 0-3. 0%，氧化鑭的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0-0. 9%，其余為鉬粉，球磨混合均勻處理后預(yù)壓預(yù)燒結(jié)，球磨混料工藝為Ar氣氣氛，壓強(qiáng)為0. 3-0. 6MPa，球料比為 1 1到 3 1，轉(zhuǎn)速為 150-250r/min，時(shí)間為 8-15h ；第二步預(yù)壓預(yù)燒結(jié)預(yù)壓工藝鋼質(zhì)模具，內(nèi)徑為30-60mm，壓力為10_30MPa ；預(yù)燒結(jié)工藝真空無(wú)壓燒結(jié)，溫度為1000°C -1500°C，時(shí)間為l_4h ；第三步電弧熔煉將預(yù)燒結(jié)后塊體在真空電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，待真空度到2X10’a到 5 X 10- !后，充入高純Ar氣到約0. 03-0. 06MPa，熔煉之前先熔煉鈦0. 5_lmin，熔煉工作電流為800-1000A，熔煉時(shí)間2-aiiin，反復(fù)熔煉三到六次，得到合金錠；第四步球磨制粉將熔煉后的合金錠粉碎并在高能球磨機(jī)中球磨制粉，球磨參數(shù):Ar氣保護(hù)，壓強(qiáng)為0. 3-0. 6MPa ；轉(zhuǎn)速為350_450r/min，時(shí)間為30_60min，之后停機(jī)30_60min，繼續(xù)球磨，轉(zhuǎn)速為250-350r/min，時(shí)間為1- ；如此經(jīng)歷三到六個(gè)循環(huán)后停機(jī)30-60min，再繼續(xù)球磨，轉(zhuǎn)速為150-250r/min，時(shí)間2_汕，得到合金粉末；
第五步真空熱壓燒結(jié)將經(jīng)200-300目泰勒篩篩分處理后的合金粉末裝入石墨模具中，在真空熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)過程中真空度保持在8.5X10_3Pa到3.5X10’a之間，升溫速度為 10-300C /min，升溫過程中采用兩步法升溫至熱壓燒結(jié)溫度，第一步升溫至1000-120(TC， 保溫0. 5-1. 5h，再升溫至熱壓燒結(jié)溫度，熱壓燒結(jié)溫度為1500-1700°C，保壓過程中軸向壓強(qiáng)為30-50MPa，熱壓燒結(jié)保溫時(shí)間為l_3h，熱壓燒結(jié)完成后隨爐冷卻到室溫。將脫模后的燒結(jié)體加工去除表層0. 3-0. 5mm,即得到納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金材料。實(shí)施例一分別稱取378. 68g鉬粉、16. 72g硅粉和4. 60g硼粉，采用高能球磨機(jī)球磨混合均勻處理，在內(nèi)徑為60mm的鋼質(zhì)模具中預(yù)壓，壓力為30MPa，將預(yù)壓后的塊體在真空爐中預(yù)燒結(jié)，溫度1500°C，時(shí)間lh。將預(yù)燒結(jié)過的塊體放在電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉工作電流為800A，時(shí)間3min，反復(fù)熔煉五次。將熔煉后的塊體進(jìn)行粉碎球磨和篩分處理，將經(jīng) 200目篩分處理后的合金粉體裝入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，真空度為8. 5 X 10_3，升溫速度為20°C /min，燒結(jié)溫度為1600°C，保壓過程中軸向壓強(qiáng)為40MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間為池，燒結(jié)后隨爐冷卻至室溫后取出模具，脫模后將得到的燒結(jié)體加工去除表層0.4mm，即得到鉬-硅-硼合金材料。X射線衍射(XRD)顯示其三相組成為α -Mo、Mo3Si和Mo5SiB2 (Τ2相)，采用阿基米德排水法測(cè)定密度為9. 34g/cm3，在室溫條件下該合金沿軸向和徑向的壓縮強(qiáng)度分別為2. 30GPa和2. lOGPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別為 600MPa 和 750MPa，斷裂韌性值分別為 7. 2 IMPa · m1/2 和 7. 53MPa · m1/2。實(shí)施例二 分別稱取377. 56g鉬粉、16. 68g硅粉、4. 52g硼粉和1. 20g納米氧化鑭粉末，采用高能球磨機(jī)球磨混合均勻處理，在內(nèi)徑為30mm的鋼質(zhì)模具中預(yù)壓，壓力為 20MPa，將預(yù)壓后的塊體在真空爐中預(yù)燒結(jié)，溫度1300°C，時(shí)間池。將預(yù)燒結(jié)過的塊體放在電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉工作電流為800A，時(shí)間2. 5min，反復(fù)熔煉六次，將熔煉后的塊體進(jìn)行粉碎球磨和篩分處理，將經(jīng)200目篩分處理后的合金粉體裝入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，把模具放在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，真空度為8. 5 X ΙΟ"3,升溫速度為 300C /min，燒結(jié)溫度為1700°C，燒結(jié)軸向壓強(qiáng)為45MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間為池，燒結(jié)后隨爐冷卻至室溫后取出模具，脫模后將得到的燒結(jié)體加工去除表層0. 3mm,即得到鉬-硅-硼合金材料。X射線衍射(XRD)顯示其三相組成為0^0、11033丨和臨53丨82012相)，采用阿基米德排水法測(cè)定密度為9. ^g/cm3，在室溫條件下該合金沿軸向和徑向的壓縮強(qiáng)度分別為2. 40GPa 和2. 20GPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別為760MPa和850MPa,斷裂韌性值分別為8. 14MPa · m1/2和 8. 37MPa · m1/2。實(shí)施例三分別稱取376. 40g鉬粉、16. 64g硅粉、4. 56g硼粉和2. 4g納米氧化鑭粉末，采用高能球磨機(jī)球磨混合均勻處理，在內(nèi)徑為45mm的鋼質(zhì)模具中預(yù)壓，壓力為20MPa， 將預(yù)壓后的塊體在真空爐中預(yù)燒結(jié)，溫度1200°C，時(shí)間池。將預(yù)燒結(jié)過的塊體放在電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉工作電流為850A，時(shí)間3min，反復(fù)熔煉五次，將熔煉后的塊體粉碎球磨和篩分處理，隨后將篩分處理后的合金粉體裝入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，把模具放在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)真空度為8. 5X 10_3，升溫速度為30°C /min, 燒結(jié)溫度為1600°C，燒結(jié)軸向壓強(qiáng)為50MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間3h，燒結(jié)后隨爐冷卻至室溫后取出模具，脫模后將得到的燒結(jié)體加工去除表層0. 4mm,即得到鉬-硅-硼合金材料。X射線衍射(XRD)顯示其三相組成為α -Mo、Mo3Si和Mo5SiB2 (Τ2相)，采用阿基米德排水法測(cè)定密度為9. 32g/cm3，在室溫條件下該合金沿軸向和徑向的壓縮強(qiáng)度分別為2. 50GPa 和2. 25GPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別為9IOMPa和980MPa,斷裂韌性值分別為8. 56MPa · m1/2和 9. 02MPa · m1/2。 實(shí)施例四分別稱取375. 28g鉬粉、16. 56g硅粉、4. 56g硼粉和3. 6g納米氧化鑭粉末，采用高能球磨機(jī)球磨混合均勻處理，在內(nèi)徑為30mm的鋼質(zhì)模具中預(yù)壓，壓力為lOMPa， 將預(yù)壓后的塊體在真空爐中預(yù)燒結(jié)，溫度1100°C，時(shí)間4h。將預(yù)燒結(jié)過的塊體放在電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉工作電流為900A，時(shí)間2min，反復(fù)熔煉四次，將熔煉后的塊體粉碎球磨和篩分處理，隨后將篩分處理后的合金粉體裝入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，把模具放在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)真空度為8. 5X10_3，升溫速度為30°C /min, 燒結(jié)溫度為1700°C，燒結(jié)軸向壓強(qiáng)為50MPa，燒結(jié)保溫時(shí)間2h，燒結(jié)后隨爐冷卻至室溫后取出模具，脫模后將得到的燒結(jié)體加工去除表層0. 5mm,即得到鉬-硅-硼合金材料。X 射線衍射(XRD)顯示其三相組成為α -Mo、Mo3Si和Mo5SiB2 (Τ2相)，采用阿基米德排水法測(cè)定密度為9. 31g/cm3，在室溫條件下該合金沿軸向和徑向的壓縮強(qiáng)度分別為2. 25GPa 和2. 15GPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別為750MPa和800MPa,斷裂韌性值分別為7. 95MPa · m1/2和 8. 18MPa · m1/2。
權(quán)利要求
1.一種高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法，其特征在于，步驟如下硅粉和硼粉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為3. 0-5.0%和1.0-3.0%，氧化鑭的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0-0.9%，其余為鉬粉進(jìn)行球磨混合，將球磨后的粉末進(jìn)行預(yù)壓預(yù)燒結(jié)處理，之后在電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，將熔煉后的合金錠粉碎并在高能球磨機(jī)中球磨制粉，將經(jīng)200-300目泰勒篩篩分處理后的合金粉末裝入石墨模具中，在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)過程中真空度保持在8. 5 X KT3Pa到3. 5 X KT2Pa之間，升溫速度為10_30°C /min，升溫過程中采用兩步法升溫至熱壓燒結(jié)溫度，燒結(jié)后隨爐冷卻到室溫后取出模具，將脫模后得到的燒結(jié)體加工去除表層0. 3-0. 5mm,即得到納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法，其特征在于，球磨混料工藝為Ar氣氣氛，壓強(qiáng)為0.3-0. 6MPa，球料比為1 1到3 1，轉(zhuǎn)速為 150-250r/min,時(shí)間為 8_15h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法，其特征在于，所述的預(yù)壓預(yù)燒結(jié)處理，預(yù)壓工藝鋼質(zhì)模具，內(nèi)徑為30-60mm，壓力為10_30MPa，預(yù)燒結(jié)工藝真空無(wú)壓燒結(jié)，溫度為1000°C -1500°C，時(shí)間為l_4h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法，其特征在于，所述的在電弧熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉工作電流為800-1000A，時(shí)間為2-3min，反復(fù)熔煉三到六次。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法，其特征在于，所述的球磨制粉，球磨參數(shù)Ar氣氣氛，壓強(qiáng)為0. 3-0. 6MPa ；轉(zhuǎn)速為350-450r/min， 時(shí)間為30-60min，之后停機(jī)30_60min，繼續(xù)球磨，轉(zhuǎn)速為250_350r/min，時(shí)間為Hh ；如此經(jīng)過三到六個(gè)循環(huán)后停機(jī)30-60min，再繼續(xù)球磨，轉(zhuǎn)速為150-250r/min，時(shí)間2_3h，制備出鉬-硅-硼合金粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法，其特征在于，所述的升溫過程中采用兩步法升溫至熱壓燒結(jié)溫度，第一步升溫至1000-1200°C，保溫0. 5-1. 5h，再升溫至熱壓燒結(jié)溫度，熱壓燒結(jié)溫度為1500-1700°C，保壓過程中軸向壓強(qiáng)為30-50MPa，熱壓燒結(jié)保溫時(shí)間為l_3h。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高性能納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金的制備方法，以鉬粉、硅粉和硼粉為原料，摻雜不同含量納米氧化鑭粉末，球磨混合均勻后進(jìn)行預(yù)壓預(yù)燒結(jié)，將得到的燒結(jié)體在真空電弧爐中熔煉，熔煉工作電流為800-1000A，將得到的合金錠粉碎并球磨制粉，將合金粉末用200-300目泰勒篩篩分處理，將得到的合金粉末在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，溫度1500-1700℃，壓強(qiáng)30-50MPa，時(shí)間1-3小時(shí)，燒結(jié)完成后隨爐冷卻到室溫。本發(fā)明彌補(bǔ)了傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備鉬-硅-硼合金燒結(jié)溫度高時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)不充分和宏觀缺陷較多的缺點(diǎn)，制備的納米氧化鑭摻雜鉬-硅-硼合金具有組織均勻，高致密度和高強(qiáng)度的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102251162SQ201110189258
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者劉剛, 周葵濤, 孫軍, 孫院軍, 張國(guó)君, 江峰, 陳小曼 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)