一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法，屬于高溫合金【技術(shù)領(lǐng)域】。工藝流程為：首先采用低溫燃燒合成法制備出基體金屬氧化物和強(qiáng)化相氧化物的前驅(qū)體粉末，然后在氫氣中還原后得到鎳基ODS合金粉末。同時(shí)，把高活性合金元素預(yù)先制成中間合金鑄錠，經(jīng)過機(jī)械破碎后得到中間合金粉末。將鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末混合均勻后燒結(jié)致密化，通過均勻化處理、固溶處理和時(shí)效處理后得到雙連通結(jié)構(gòu)鎳基超合金復(fù)合材料。鎳基ODS合金和鎳基超合金基體在三維空間相互貫通。該發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，制造成本低。
【專利說明】一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫合金【技術(shù)領(lǐng)域】，特別提供了一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]鎳基超合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，但是耐磨性不佳。添加氧化物顆粒進(jìn)行強(qiáng)化的鎳基ODS合金能夠有效提高超合金的耐磨性。但是，氧化物顆粒的添加會(huì)降低材料的韌性。為了使鎳基超合金既具有良好的耐磨性，又具有較好的韌性，設(shè)計(jì)了具有雙連通結(jié)構(gòu)的超合金復(fù)合材料。雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料主要由兩個(gè)組元構(gòu)成，一個(gè)組元是鎳基氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide dispers1n strengthening, 0DS)合金,另一個(gè)組元是鎳基超合金基體，鎳基ODS合金在三維空間內(nèi)連通，鎳基超合金基體也在三維空間連通。這種特殊網(wǎng)絡(luò)交織結(jié)構(gòu)的復(fù)合化鎳基超合金具有傳統(tǒng)的單一材料所無法比擬的優(yōu)異性能，能夠?qū)?yōu)異的良好的耐熱性、耐磨性和較高的韌性結(jié)構(gòu)起來，發(fā)揮性能互補(bǔ)的效應(yīng)，是一種結(jié)構(gòu)與功能一體化的材料，在航空航天或工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫耐磨領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
[0003]雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的制備包括鎳基ODS合金粉末的制備、中間合金粉末的制備、混合粉末的致密化和熱處理四個(gè)方面。鎳基ODS合金粉末采用低溫燃燒合成法制備，其原理是利用液相中氧化劑(基體金屬鹽及氧化物形成鹽)和燃料間的放熱反應(yīng)得到基體金屬氧化物和強(qiáng)化相氧化物的混合物，經(jīng)過還原后得到鎳基ODS合金。中間合金采用真空熔煉和機(jī)械粉碎的方法來制備。中間合金中合金元素含量較高，晶格畸變大，與鎳基ODS合金之間的濃度梯度大，有利于合金元素的擴(kuò)散均勻。致密化和后續(xù)熱處理過程中，中間合金中合金元素向鎳基ODS合金中擴(kuò)散，形成各種碳化物和Y'強(qiáng)化相，而鎳基ODS合金中的氧化物具有高的熱穩(wěn)定性，不能向中間合金中擴(kuò)散，從而形成氧化物彌散強(qiáng)化鎳基超合金的骨架結(jié)構(gòu)，起到支撐和耐磨的作用。無氧化物分布的區(qū)域?yàn)殒嚮辖?，具有良好的韌性。該發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，制造成本低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法，旨在將鎳基合金的高溫力學(xué)性能、耐磨性和較好的韌性結(jié)合起來。
[0005]一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法，具體工藝步驟有:
[0006](I)鎳基ODS合金粉末的制備:在燒杯中將反應(yīng)物Ni (NO3)2.6H20、氧化物增強(qiáng)相形成鹽、尿素和葡萄糖溶解于少量去離子水，將燒杯置于反應(yīng)爐中，攪拌加熱，水蒸干后停止加熱，燒杯中的反應(yīng)物點(diǎn)燒并放出大量氣體，反應(yīng)結(jié)束后得到N1和氧化物增強(qiáng)相的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末在H2中還原，還原溫度為300?900°C，還原時(shí)間為I?3小時(shí)，得到鎳基ODS合金粉末。
[0007]所述的氧化物增強(qiáng)相形成鹽為Y (NO3) 3.6H20、La (NO3) 3.6H20、Al (NO3) 3.9H20 中的一種或幾種；
[0008]反應(yīng)物中尿素與硝酸根的摩爾比為0.05?0.8，葡萄糖與硝酸根的摩爾比為O?
1.5之間。
[0009]所述的鎳基ODS合金粉末中氧化物強(qiáng)化相的含量為0.3?30 %。
[0010](2)中間合金粉末制備:根據(jù)目標(biāo)超合金中合金元素的種類和含量設(shè)計(jì)中間合金，中間合金中基體元素Ni的含量為0-60wt.%,其余是活性元素(如Cr、T1、Al、Ta、Nb、Zr、Hf、B、Re和C)，并且各種活性元素的質(zhì)量比與目標(biāo)超合金中各元素的質(zhì)量比一致。中間合金在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到中間合金鑄錠。接著，將中間合金鑄錠進(jìn)行機(jī)械破碎，得到粒徑為0.5-20 μ m的中間合金粉末。
[0011]所述的目標(biāo)超合金為各種標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的鎳基高溫合金(例如K418、K491、Rene95、RR1000、N18、W750P或U720Li等)，或者是根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)合金；
[0012](3)鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末的混合:將鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末通過球磨混合均勻，得到混合粉末?；旌戏勰┲墟嚮鵒DS合金粉末的重量百分含量為20?50%，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200?350轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為3?10小時(shí)。
[0013](4)燒結(jié)致密化:混合粉末經(jīng)過成形后進(jìn)行燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1050?1250°C，保溫時(shí)間為I?3小時(shí)，得到燒結(jié)坯；
[0014]所述的成形方法為壓制成形或注射成形；
[0015]所述的燒結(jié)方法為無壓燒結(jié)或加壓燒結(jié)。
[0016](5)均勻化處理，燒結(jié)坯在1100?1250°C進(jìn)行均勻化處理，保溫I?48小時(shí)，得到均勻化坯體。
[0017](6)固溶和時(shí)效處理，均勻化坯體在1150_1250°C進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)間為I?2小時(shí)，然后水淬或空冷。固溶處理后的坯體在650-850°C時(shí)效處理12-48小時(shí)，最終得到雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料，鎳基ODS合金和鎳基超合金基體在三維空間相互貫通，如圖2所示。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:低溫燃燒合成法制備鎳基ODS合金粉末時(shí)，在水溶液中能夠?qū)崿F(xiàn)各組分在分子水平的均勻分散和混合，確保了氧化物顆粒的粒徑細(xì)小和分布均勻，并且容易控制氧化物的種類、含量和粒徑以滿足不同的耐磨性能要求。把高活性合金元素(如Cr、T1、Al、Ta、Nb、Zr、Hf、B、Re和C)預(yù)先制成中間合金，然后以中間合金的形式，而不是個(gè)別元素的形式添加到鎳基合金中，有效避免了活性元素的氧化，降低了氧含量，擴(kuò)大了合金化的途徑。同時(shí)，中間合金容易破碎成細(xì)小的合金粉末，燒結(jié)活性高，有利于提高致密度。此外，中間合金容易破碎成細(xì)小的合金粉末，燒結(jié)活性高，有利于提高致密度。該方法是一種低成本制備雙連通結(jié)構(gòu)鎳基超合金復(fù)合材料的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
[0020]圖2雙連通結(jié)構(gòu)鎳基超合金復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1:含4.85wt.% Y2O3的鎳基ODS合金粉末制備的超合金復(fù)合材料
[0022]在燒杯中將反應(yīng)物Ni (NO3)2.6H20、Y(NO3)3.6H20、尿素和葡萄糖溶解于少量去離子水。反應(yīng)物中硝酸鎳與硝酸釔的摩爾比為1:0.0264，尿素與硝酸根的摩爾比為0.3，葡萄糖與硝酸根的摩爾比為0.5。將燒杯置于反應(yīng)爐中，攪拌加熱，水蒸干后停止加熱，燒杯中的反應(yīng)物點(diǎn)燒并放出大量氣體，反應(yīng)結(jié)束后得到N1和氧化物增強(qiáng)相的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末在H2中還原，還原溫度為400°C，還原時(shí)間為2小時(shí)，得到鎳基ODS合金粉末。鎳基ODS合金粉末中Y2O3增強(qiáng)相的含量為4.85%。以K418合金為目標(biāo)成分的鎳基高溫合金，中間合金的成分為:21.26% CrU0.12% AlU.28% Ti,7.31% Mo,3.66% Nb,0.02% B,0.18%21*、0.20%(:和余量附。中間合金在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到中間合金鑄錠。將中間合金鑄錠進(jìn)行機(jī)械破碎，得到粒徑為0.5-20 μ m的中間合金粉末。將鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末通過球磨混合均勻，得到混合粉末。混合粉末中鎳基ODS合金粉末的重量百分含量為41.2%，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為3小時(shí)。混合粉末經(jīng)過成形后進(jìn)行燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1050?1250°C，保溫時(shí)間為I?3小時(shí)，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1180°C進(jìn)行均勻化處理，保溫I?48小時(shí)，得到均勻化坯體。均勻化坯體在1220°C進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)間為I?2小時(shí)，然后水淬。固溶處理后的坯體在700°C時(shí)效處理24小時(shí)，最終得到雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料。
[0023]實(shí)施例2:含7.18wt.% Al2O3的鎳基ODS合金粉末制備的超合金復(fù)合材料
[0024]在燒杯中將反應(yīng)物Ni (NO3)2.6H20、A1 (NO3)3.9H20、尿素和葡萄糖溶解于少量去離子水。反應(yīng)物中硝酸鎳與硝酸鋁的摩爾比為1:0.0895，尿素與硝酸根的摩爾比為0.6，葡萄糖與硝酸根的摩爾比為0.8之間。將燒杯置于反應(yīng)爐中，攪拌加熱，水蒸干后停止加熱，燒杯中的反應(yīng)物點(diǎn)燒并放出大量氣體，反應(yīng)結(jié)束后得到N1和氧化物增強(qiáng)相的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末在H2中還原，還原溫度為300°C，還原時(shí)間為I小時(shí)，得到鎳基ODS合金粉末。鎳基ODS合金粉末中Al2O3增強(qiáng)相的含量為7.18wt.%。以Rene 95合金為目標(biāo)成分的鎳基高溫合金，中間合金的成分為:22.34% Cr,6.01% Al,4.30% Ti,6.01% MoU.20% Nb、
0.02% B、6.01% WU3.74% Co,0.10% C和余量Ni。中間合金在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到中間合金鑄錠。將中間合金鑄錠進(jìn)行機(jī)械破碎，得到粒徑為0.5-20 μ m的中間合金粉末。將鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末通過球磨混合均勻，得到混合粉末?；旌戏勰┲墟嚮鵒DS合金粉末的重量百分含量為41.8%，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為8小時(shí)?；旌戏勰┙?jīng)過成形后進(jìn)行燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1250°C進(jìn)行均勻化處理，保溫12小時(shí)，得到均勻化坯體。均勻化坯體在1150°C進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)間為2小時(shí)，然后水淬。固溶處理后的坯體在800°C時(shí)效處理48小時(shí)，最終得到雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料。
[0025]實(shí)施例3:含4.65wt.% Y2O3和6.98wt.% Al2O3的鎳基ODS合金粉末制備的超合金復(fù)合材料
[0026]在燒杯中將反應(yīng)物Ni (NO3)2.6H20、Y(NO3)3.6H20、Al (NO3)3.9H20、尿素和葡萄糖溶解于少量去離子水。反應(yīng)物中硝酸鎳與硝酸釔的摩爾比為1:0.0412，硝酸鎳與硝酸鋁的摩爾比為1: 0.0608，反應(yīng)物中尿素與硝酸根的摩爾比為0.8，葡萄糖與硝酸根的摩爾比為
1。將燒杯置于反應(yīng)爐中，攪拌加熱，水蒸干后停止加熱，燒杯中的反應(yīng)物點(diǎn)燒并放出大量氣體，反應(yīng)結(jié)束后得到N1和氧化物增強(qiáng)相的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末在H2中還原，還原溫度為5000°C，還原時(shí)間為2小時(shí)，得到鎳基ODS合金粉末。鎳基ODS合金粉末中氧化釔增強(qiáng)相的含量為4.65%，氧化鋁增強(qiáng)相的含量為6.98%。以K491合金為目標(biāo)成分的鎳基高溫合金，中間合金的成分為:17.54% Cr,9.65% Al,9.21% Ti,5.26% Mo,0.18% Β、17.54%Co和余量Ni。中間合金在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到中間合金鑄錠。將中間合金鑄錠進(jìn)行機(jī)械破碎，得到粒徑為10-20 μ m的中間合金粉末。將鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末通過球磨混合均勻，得到混合粉末?；旌戏勰┲墟嚮鵒DS合金粉末的重量百分含量為43%,球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200?350轉(zhuǎn)/分,球磨時(shí)間為5?10小時(shí)。混合粉末經(jīng)過成形后進(jìn)行燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1230°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1200°C進(jìn)行均勻化處理，保溫I?48小時(shí)，得到均勻化坯體。均勻化坯體在1210°C進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)間為I?2小時(shí)，然后空冷。固溶處理后的坯體在850°C時(shí)效處理36小時(shí)，最終得到雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料。
[0027]實(shí)施例4:含6.88wt.% Y2O3和6.88wt.% La2O3的鎳基ODS合金粉末制備的超合金復(fù)合材料
[0028]在燒杯中將反應(yīng)物Ni (NO3)2.6H20、Y(N03) 36H20、La(NO3)3.6H20、尿素和葡萄糖溶解于少量去離子水。反應(yīng)物中硝酸鎳與硝酸釔的摩爾比為1:0.0416，硝酸鎳與硝酸鑭的摩爾比為1:0.0288，尿素與硝酸根的摩爾比為0.8，葡萄糖與硝酸根的摩爾比為1.5之間。將燒杯置于反應(yīng)爐中，攪拌加熱，水蒸干后停止加熱，燒杯中的反應(yīng)物點(diǎn)燒并放出大量氣體，反應(yīng)結(jié)束后得到N1和氧化物增強(qiáng)相的前驅(qū)體粉末。前驅(qū)體粉末在H2中還原，還原溫度為900°C，還原時(shí)間為3小時(shí)，得到鎳基ODS合金粉末。鎳基ODS合金粉末中氧化釔增強(qiáng)相的含量為6.88wt.%，氧化鑭增強(qiáng)相的含量為6.88wt.%。以W750P合金為目標(biāo)成分的鎳基高溫合金，中間合金的成分為:17.73% Cr,6.56% Al,6.56% Ti,5.85% Mo,3.19% Nb、0.03% B,0.02% Zr,0.10% C、0.44% HfU0.28% W、26.60% Co 和余量 Ni。中間合金在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到中間合金鑄錠。將中間合金鑄錠進(jìn)行機(jī)械破碎，得到粒徑為
0.5-20 μ m的中間合金粉末。將鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末通過球磨混合均勻，得到混合粉末。混合粉末中鎳基ODS合金粉末的重量百分含量為43.6%,球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為5小時(shí)?；旌戏勰┙?jīng)過成形后進(jìn)行燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1150°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1180°C進(jìn)行均勻化處理，保溫28小時(shí)，得到均勻化坯體。均勻化坯體在1200°C進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)間為2小時(shí)，然后空冷。固溶處理后的坯體在750°C時(shí)效處理24小時(shí)，最終得到雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料。
【權(quán)利要求】
1.一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法，其特征在于: 步驟一、在燒杯中將反應(yīng)物Ni (NO3)2.6Η20、氧化物增強(qiáng)相形成鹽、尿素和葡萄糖溶解于少量去離子水，將燒杯置于反應(yīng)爐中，攪拌加熱，水蒸干后停止加熱，燒杯中的反應(yīng)物點(diǎn)燒并放出大量氣體，反應(yīng)結(jié)束后得到N1和氧化物增強(qiáng)相的前驅(qū)體粉末；前驅(qū)體粉末在Η2中還原，還原溫度為300?900°C，還原時(shí)間為I?3小時(shí)，得到鎳基ODS合金粉末； 步驟二、根據(jù)目標(biāo)超合金中合金元素的種類和含量設(shè)計(jì)中間合金，中間合金中基體元素Ni的含量為O?60wt.%，其余是活性元素，包括Cr、T1、Al、Ta、Nb、Zr、Hf、B、Re和C，并且各種活性元素的質(zhì)量比與目標(biāo)超合金中各元素的質(zhì)量比一致；中間合金在真空感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，得到中間合金鑄錠。接著，將中間合金鑄錠進(jìn)行機(jī)械破碎，得到粒徑為0.5-20 μ m的中間合金粉末； 步驟三、將鎳基ODS合金粉末和中間合金粉末通過球磨混合均勻，得到混合粉末；混合粉末中鎳基ODS合金粉末的重量百分含量為20?50%，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200?350轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為3?10小時(shí)； 步驟四、混合粉末經(jīng)過成形后進(jìn)行燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1050?1250°C，保溫時(shí)間為I?3小時(shí)，得到燒結(jié)坯； 步驟五、燒結(jié)坯在1100?1250°C進(jìn)行均勻化處理，保溫I?48小時(shí)，得到均勻化坯體； 步驟六、均勻化坯體在1150-1250°C進(jìn)行固溶處理，固溶處理時(shí)間為I?2小時(shí)，然后水淬或空冷；固溶處理后的坯體在650-850°C時(shí)效處理12-48小時(shí)，最終得到雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟一中所述的氧化物強(qiáng)化相形成鹽為Y (NO3) 3、La (NO3) 3、Al (NO3)3中的一種或幾種； 反應(yīng)物中尿素與硝酸根的摩爾比為0.05?0.8，葡萄糖與硝酸根的摩爾比為O?1.5之間； 所述的鎳基ODS合金粉末中氧化物強(qiáng)化相的含量為0.3?30%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟二中所述的目標(biāo)超合金為各種標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的鎳基高溫合金，包括K418、K491、Rene 95、RR1000、N18、W750P或U720Li，或者是根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種制備雙連通結(jié)構(gòu)超合金復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟四所述的成形方法為壓制成形或注射成形；所述的燒結(jié)方法為無壓燒結(jié)或加壓燒結(jié)。
【文檔編號(hào)】C22C19/05GK104451225SQ201410677139
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月23日
【發(fā)明者】章林, 劉燁, 陳曉瑋, 秦明禮, 曲選輝, 何新波, 陳翅, 楊夫?qū)? 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)