高韌性Laves相NbFe2基高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種高韌性Laves相NbFe2基高溫結(jié)構(gòu)材料，其成分范圍為3.2-27at%的Nb和余量的Fe。通過在Laves相NbFe2中加入過量的Fe，同時控制電弧熔煉條件，在Laves相NbFe2中引入韌性金屬相，顯著地改善了Laves相NbFe2的室溫脆性。本發(fā)明制備出的Laves相NbFe2基復(fù)合材料為Laves相NbFe2和Fe相組成的兩相結(jié)構(gòu)，該合金表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓性能和良好的韌性，其壓縮斷裂強度可達1.65GPa，屈服強度可達1.12 GPa，壓縮應(yīng)變延伸率可達30%。
【專利說明】高韌性Laves相NbFe2基高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為一種高韌性Laves相NbFe2S高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法，該高溫結(jié)構(gòu) 材料中存在有Laves相NbFejPl Fe相。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對其所用的材料提出了更為苛刻的要求，如要求 材料能夠承受更高的溫度，具有優(yōu)異的高溫抗氧化能力和高溫比強度，良好的韌性和加工 性，對于新一代大推重比的航空發(fā)動機，其渦輪噴氣發(fā)動機的渦輪前進口溫度更是高達 1900K，這就要求葉片材料本身的耐溫能力要達到1400-1600°C，然而，目前廣泛用作航空發(fā) 動機高溫結(jié)構(gòu)材料的鎳基高溫合金的使用溫度已達到1100°C，接近其熔點的80-90%，繼續(xù) 提高其使用溫度的空間已經(jīng)很小。如要發(fā)展更高耐溫材料，必須尋找新的合金體系，特別是 具有低比重、高熔點及優(yōu)異力學(xué)性能，同時兼有優(yōu)良的高溫抗氧化性的材料，這對發(fā)展我國 航空航天事業(yè)有著重大的現(xiàn)實意義和理論價值。
[0003] 目前使用溫度比鎳基高溫合金高的材料主要有金屬間化合物和陶瓷材料這兩大 類。考慮到利用現(xiàn)有合金裝備和快速成形技術(shù)，金屬間化合物有一定優(yōu)勢。另外，金屬間化 合物具有密度小、耐高溫、耐磨損等優(yōu)良特性，且同時兼有金屬鍵和共價鍵，能復(fù)合金屬和 陶瓷材料的某些獨特性能，從而有可能發(fā)展成為新型的先進高溫結(jié)構(gòu)材料。
[0004] 在金屬間化合物中有很大一部分屬于拓撲密排Laves相，文獻中報道的二元 Laves相的種類多達360多種，加上三元Laves相后，Laves相的種類超過了 900多種，這為 發(fā)展新型的先進高溫結(jié)構(gòu)材料提供了相當(dāng)大的選材空間。如倍受關(guān)注的Laves相NbFe2，熔 點高達1627°C，具有優(yōu)異的蠕變抗力，良好的高溫抗氧化性和優(yōu)異的抗熱腐蝕性，使用溫度 可望超過1200°C。與目前Ni基高溫合金使用溫度相比，有近100°C的提高空間，如此大的 提升空間對高溫材料來說是非常困難的，因為在Ni基單晶高溫合金發(fā)展歷程中，從第1代 發(fā)展到第4代，每1代的使用溫度提高的空間也只有30°C左右，卻要花費數(shù)十年的時間進 行研制。此外，在奧氏體耐熱鋼中引入NbFe 2可以提高其高溫強度和蠕變抗力。因此，NbFe2 作為高溫結(jié)構(gòu)材料具有很大的應(yīng)用潛力，引起了國內(nèi)外研宄學(xué)者的廣泛關(guān)注。
[0005] Laves相NbFe2金屬間化合物具有作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用潛力，但低的室溫延 展性仍然阻礙其進入工業(yè)化應(yīng)用，因此必須采取措施來改進其室溫塑性和韌性。在Laves 相NbFe2中引入韌性金屬相是解決該材料室溫脆性問題的有效途徑之一，通過引入韌性Fe 相可以與Laves相NbFe2形成細小的共晶組織，細小共晶片層和塑性良好的金屬Fe相能很 好地阻止裂紋在Laves相NbFe 2中擴展，直觀的表現(xiàn)為裂紋橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋鈍化，從 而達到提高Laves相他?62室溫斷裂韌性的目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種高韌性Laves相NbFe2基高溫結(jié)構(gòu)材料及其制備方法， 通過在Laves相NbFe 2中加入過量的Fe，同時控制電弧熔煉條件，在Laves相NbFe 2中引入 韌性金屬相，來改善了 Laves相NbFe2的室溫脆性。以此開發(fā)出新型的使用溫度可望超過 1150°C的金屬間化合物基高溫結(jié)構(gòu)材料，滿足新一代燃氣渦輪機及航空發(fā)動機用材料需達 到1150 °C的承溫要求。
[0007] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的： 一種高韌性Laves相NbFe2S高溫結(jié)構(gòu)材料，所述的高溫結(jié)構(gòu)材料由純度為99. 9%的 鈮和純度為99. 5%的鐵組成，成分范圍為3. 2-27at%的鈮和余量的鐵。
[0008] 該高溫結(jié)構(gòu)材料的制備方法為：將按Fe73_96. 8Nb3.2_27成分稱取純度為99. 9% 的鈮和純度為99. 5%的鐵，放入非自耗真空電弧爐中的水冷銅坩堝內(nèi)，真空度為 2X 10_3-6X 10_3Pa，翻轉(zhuǎn)重熔4-5次，每次熔煉時間3-5min。
[0009] 進一步地，所述的高韌性Laves相NbFe2S高溫結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)選Fe_6at%Nb和 Fe-10at%Nb。Fe-6at%Nb的成分范圍為6at%的鈮和余量的鐵，F(xiàn)e-10at%Nb的成分范圍為 10at%的鈮和余量的鐵。Fe_6at%Nb和Fe_10at%Nb中都存在有Fe相和NbFejg，其中， Fe_6at%Nb為初生Fe相和Fe/NbFe2共晶組成；Fe_10at%Nb為初生NbFe 2相和Fe/NbFe 2共 晶組成。
[0010] 本發(fā)明高韌性Laves相NbFe2基高溫結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)點在于： 1) 添加適量的Fe元素，可以在Laves相NbFe2中引入韌性的Fe金屬相，對Laves相 他卩6 2進行增韌，來改善Laves相NbFe 2的室溫脆性； 2) 引入的金屬Fe相能夠以初生相和共晶相兩種方式存在，利用進一步提高合金的室 溫脆性，以此形成具有較好綜合性能的新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物； 3) 高韌性Laves相NbFe2基高溫結(jié)構(gòu)材料由NbFe 2相和Fe相組成，便于通過調(diào)控凝固 組織來進一步改善Laves相NbFe2的室溫脆性。
[0011] 4)添加 Fe元素后的NbFe2/Fe雙相合金的室溫壓縮斷裂強度達到了 I. 65GPa，屈 服強度可達I. 12GPa，壓縮應(yīng)變延伸率可達30%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是真空非自耗電弧熔煉過程示意圖。
[0013] 圖2是電弧熔煉Fe-6at%Nb合金的XRD衍射圖。
[0014] 圖3是電弧熔煉Fe_6at%Nb合金的微觀組織掃描電鏡圖。
[0015] 圖4是電弧熔煉Fe_6at%Nb合金的壓縮曲線圖。
[0016] 圖5是電弧熔煉Fe-10at%Nb合金的XRD衍射圖。
[0017] 圖6是電弧熔煉Fe-10at%Nb合金的微觀組織掃描電鏡圖。
[0018] 圖7是電弧熔煉Fe_10at%Nb合金的壓縮曲線圖。
[0019] 圖1中：1-水冷銅坩堝、2-試樣、3-電弧、4-鎢極。

【具體實施方式】
[0020] 下面通過具體實施例進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性和顯著地進步，但本發(fā)明絕非僅 局限于實施例： 一種高韌性Laves相NbFe2S高溫結(jié)構(gòu)材料，所述的高溫結(jié)構(gòu)材料由純度為99. 9%的 鈮和純度為99. 5%的鐵組成，成分范圍為3. 2-27at%的鈮和余量的鐵。
[0021] 本發(fā)明的高韌性Laves相NbFe2基高溫結(jié)構(gòu)材料采用非自耗真空電弧熔煉法進 行制備，熔煉過程如圖1所示，圖1中1為水冷銅坩堝、2為試樣、3為電弧、4為鎢極。按 Fe73I8Nb3.2_27成分稱取純度為99. 9%的鈮和純度為99. 5%的鐵進行配料，配料前先將打磨 干凈的原材料用3mL HF+30mL HN03+70mLH20的溶液除去表面氧化物和污垢，再用丙酮清洗 吹干，然后，按需要配制所需要的鈮組分和鐵組分，具體實施時，考慮到高溫下鐵會發(fā)生燒 損揮發(fā)，配料時每50g多加入0. 05g的鐵。
[0022] 由于本發(fā)明的原料成分為原子百分比，因此在配料時需要將其換算成質(zhì)量百分 比，換算公式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種高韌性Laves相NbFe 2基高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于：所述的高溫結(jié)構(gòu)材料由純 度為99. 9%的鈮和純度為99. 5%的鐵組成，成分范圍為3. 2-27at%的鈮和余量的鐵。
2. -種制備如權(quán)利要求1所述的高韌性Laves相NbFe 2基高溫結(jié)構(gòu)材料的方法，其特 征在于：將按Fe73_96.8Nb3. 2_27成分稱取純度為99. 9%的鈮和純度為99. 5%的鐵，放入非自耗 真空電弧爐中的水冷銅坩堝內(nèi)，真空度為2 X 1(T3?6 X l(T3Pa，翻轉(zhuǎn)重熔4-5次，每次熔煉 時間3?5min。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性Laves相NbFe 2基高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于：所述的 高溫結(jié)構(gòu)材料的成分范圍為6at%的鈮和余量的鐵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性Laves相NbFe 2基高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于：所述的 高溫結(jié)構(gòu)材料的成分范圍為l〇at%的鈮和余量的鐵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高韌性Laves相NbFe 2基高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于：所 述的高溫結(jié)構(gòu)材料存在有Fe相和NbFe2相。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高韌性Laves相NbFe 2基高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于：所述的 高溫結(jié)構(gòu)材料為初生Fe相和Fe/NbFe2共晶組成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高韌性Laves相NbFe 2基高溫結(jié)構(gòu)材料，其特征在于：所述的 高溫結(jié)構(gòu)材料為初生NbFe2相和Fe/NbFe 2共晶組成。
【文檔編號】C22C38/12GK104480387SQ201410550744
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】李克偉, 王曉波, 李雙明, 王文先 申請人:太原理工大學(xué)