一種改善Nb-Si基多元合金高溫抗氧化性的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超高溫合金材料領域，涉及一種改善超高溫合金的高溫抗氧化性的方法，特別涉及一種利用激光表面重恪技術改善Nb-Si基多元合金高溫抗氧化性的方法。
【背景技術】
[0002]隨著航空飛行器向著長航時、高航速、高適航性以及高安全性的方向發展，對航空發動機的要求也越來越高，反映在發動機的具體指標上就是更高的推重比、更長的大修周期。發動機推重比和工作效率的提高，對最為核心的發動機葉片材料的性能要求也隨之而提高。目前廣泛應用于航空發動機渦輪葉片的是鎳基合金，具有優異的強度、韌性、抗氧化性和疲勞性能等綜合性能，然而隨著推重比的進一步增加，鎳基高溫合金的使用溫度已經超過1100°C，達到了合金熔點的80%以上，這嚴重制約著航空發動機性能的進一步提升，因而有必要研發承溫能力更強的新型高溫結構材料。
[0003]Nb-Si基超高溫合金，也稱Nb-Si基自生復合材料，具有高熔點(>1750°C )、低密度(6.6-7.2g/cm3)、良好的高溫強度及一定的斷裂韌性、疲勞性能和可加工性等優點，成為極具競爭力的新型高溫結構材料之一。Nb-Si基合金主要由Nb基固溶體(Nbss)和金屬間化合物Nb5SiJ^成的。根據復合材料的設計原理，Nb ^提供室溫塑性和韌性，Nb 5Si3相提供高溫強度和抗氧化性能。同時，向合金中添加T1、Cr、Al和Hf等合金元素而形成Nb-Si基多兀合金，可以進一步提尚其室溫初性、尚溫強度和抗氧化性等綜合性能。
[0004]雖然Nb-Si基多元合金具有優異的力學性能，但其在高溫條件下較差的抗氧化性能是制約該合金實際應用的一大瓶頸。現階段采用的提高Nb-Si基多元合金的抗氧化性能的方法為添加合金化元素和使用抗氧化涂層。添加Cr、Ti和Hf等元素可提高合金的高溫抗氧化性，但不利于合金的高溫力學性能的提高；抗氧化涂層(如Mo-S1-B涂層)可在一定程度上提高合金的抗氧化性，但因涂層與合金屬于異質結合，存在剝落的風險。因此，仍需繼續研發一種有效改善Nb-Si基多元合金高溫抗氧化性的方法，以保證作為航空發動機葉片材料的Nb-Si基多元合金在服役過程中的可靠性。
【發明內容】
[0005]本發明正是針對Nb-Si基多元合金在高溫條件下氧化性較差的問題，在兼顧力學性能的前提下，提供了一種改善Nb-Si基多元合金高溫抗氧化性的方法。利用高能激光束使Nb-Si基多元合金表面熔化，快速凝固后形成細小、均勻的合金組織，高溫環境中能夠抑制外界氧向合金內部擴散，從而通過組織細化提高合金的高溫抗氧化性，且所形成表面重熔層與合金成分相同，并以冶金方式結合，服役過程中不容易剝落。同時，由于Nb-Si基多元合金韌性較差，快速凝固條件下容易產生裂紋，本發明采用低能量密度條件下的激光束對合金進行預熱，可有效抑制裂紋的產生，以保證合金表面重熔層的致密性。
[0006]本發明提供了一種改善Nb-Si基多元合金高溫抗氧化性的方法，包括以下步驟:
[0007](I)以一定原子比的Nb-Si基多元合金元素為合成原料，制備Nb-Si基多元合金試樣；
[0008](2)將Nb-Si基多元合金試樣固定在工作臺上，密封裝置抽真空后充入保護氣體進行氣氛保護；
[0009](3)激光束按照預先設定的掃描路徑和工藝參數，對Nb-Si基多元合金試樣表面進行預熱掃描；
[0010](4)預熱結束后，修改工藝參數，使激光束按照預先設定的掃描路徑對Nb-Si基多元合金表面進行掃描，合金表面熔化并凝固，形成重熔層；
[0011](5)關閉系統，待部件冷卻至室溫時取出，整個制備過程是在保護氣氛中進行的；
[0012](6)將未經表面重熔處理和經激光表面重熔處理的樣品置于氧化鋁坩禍中，再放入高溫電阻爐中靜態氧化實驗，所有試樣在氧化試驗之前都將精確的測量尺寸；
[0013](7)氧化試驗結束后，利用掃描電鏡觀察氧化后試樣的截面，比較未經表面重熔處理和經過激光表面重熔處理樣品的抗氧化性能的差異。
[0014]步驟(I)中所選用的Nb-Si基多元合金由非自耗真空電弧熔煉制備而得。
[0015]步驟(3)中，表面重熔之前，利用激光束對試樣表面進行預熱，具體的預熱參數:激光器功率250?400W，掃描速度1500?2000mm/s，掃描間距0.10?0.25mm，掃描次數5?10次。
[0016]步驟(4)中，利用高能激光束輻照試樣表面，使合金表面熔化，產生重熔層，熔化參數:激光器功率350?500W，掃描速度100?300mm/s，掃描間距0.05?0.15mm，掃描次數I?2次。
[0017]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf。
[0018]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-18S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf。
[0019]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-20S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf。
[0020]所述的Nb-Si基多元合金成分以原子百分比計為Nb-22S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf。
[0021]步驟￠)中，利用短時高溫氧化實驗評價試樣的抗氧化性，氧化實驗參數為:溫度1250°(:、保溫211。
[0022]制備獲得的激光表面重熔Nb-Si基多元合金，冷卻到室溫得到的表面重熔層組織由細小的^^固溶體和Nb 5Si3強化相組成，相尺寸〈I μπι，分布均勻，致密度高，裂紋含量少，且表面重熔層與基體合金結合性較好。
[0023]本發明的特點是:
[0024](I)本發明合金母錠制備簡單，即通過非自耗電弧熔煉技術制得不同成分的Nb-Si基多元合金。
[0025](2)本發明針對室溫韌性較差的Nb-Si基多元合金，采用簡單易行的預熱步驟，有效控制快速凝固過程中裂紋的產生，從而得到致密的表面重熔層；
[0026](3)本發明中所制備的激光表面重熔層與基體以冶金方式結合，服役過程中不容易剝落，實用性強。
[0027](4)本發明所用方法簡單實用，在兼顧力學性能的前提下，使得Nb-Si基多元合金的短時高溫抗氧化性提高了 8倍以上。此外，本發明還可以推廣到其他超高溫合金材料領域。【附圖說明】:
[0028]附圖1 Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf 合金 XRD 圖譜；
[0029]附圖2 Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf合金未經本發明處理，氧化前后的掃描電鏡圖片;
[0030]附圖3 Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf合金經過本發明處理，氧化前后的掃描電鏡圖片;
[0031]附圖4 Nb-20S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf 合金 XRD 圖譜；
[0032]附圖5 Nb-20S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf合金經過本發明處理后的掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0033]以下結合實例對本發明做進一步闡述，但本發明并不局限于具體實施例。
[0034]實施例1
[0035]利用激光表面重熔技術改善Nb-Si基多元合金高溫抗氧化性，使用的激光熔化系統主要包括:Nd_YAG激光器、計算機系統和氬氣氣氛保護裝置，步驟如下:
[0036]1.以Nb、S1、T1、Cr、Al、Hf為合成原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術得到Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf合金母錠，利用線切割切取試樣，并將試樣表面磨光，清洗后吹干備用；
[0037]2.將Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf合金試樣固定在工作臺上，首先將密封的成形腔抽成真空狀態，然后充入高純氬氣(99.99% )進行保護；
[0038]3.激光束按照預先設定的掃描路徑和參數，對Nb-16S1-24T1-2Cr-2Al-2Hf合金試樣表面進行