本發(fā)明涉及一種ir-rh-re合金及其制備方法，屬于合金制備。

背景技術(shù)：

1、目前，國內(nèi)外航天一代發(fā)動機噴管普遍使用傳統(tǒng)的鈮鉿高溫合金材料(c103合金)。雖然鈮合金的熔點較高，但抗氧化性能較差，高溫氧化環(huán)境中必須使用硅化物等陶瓷涂層保護。由于材料性能的限制，難熔金屬/硅化物材料體系高溫材料的工作溫度不能超過1300℃。隨著航天等高技術(shù)的快速發(fā)展，提出了研制二代航天發(fā)動機的急迫需求。近年來，國際上航天發(fā)達國家或地區(qū)開始將銥基高溫合金應(yīng)用于航天空間推進發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，如歐洲eads公司、德國mmb公司等將銥基合金材料噴管大量應(yīng)用于無毒推進、單組元及雙組元發(fā)動機。該型發(fā)動機已被選為cluster科學(xué)計劃衛(wèi)星、artemis實驗通訊衛(wèi)星及sb300衛(wèi)星等的推進系統(tǒng)姿控發(fā)動機。由于銥基合金本身具有極強的高溫抗氧化性能，噴管無需涂層保護，大大提高了噴管產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和發(fā)動機工作的可靠性。但出于技術(shù)保密的需要，國外文獻并未報道其所應(yīng)用的銥基合金的具體成分。

2、航天二代發(fā)動機噴管使用的高溫材料工作環(huán)境極為惡劣，既需要在1500～1600℃的高溫下長期穩(wěn)定工作，又需要具有抗強氧化性燃氣高溫侵蝕的能力；其次，發(fā)動機工作壽命要求達到10小時以上，發(fā)動機燃燒室室壓可達1.5mpa以上。噴管長期工作在高溫、高壓及強氧化腐蝕環(huán)境中，為保證其長期工作的可靠性，對材料的高溫力學(xué)性能和抗氧化性能提出了更高的要求，如衛(wèi)星、飛船等空間飛行器的發(fā)動機對噴管材料的主要技術(shù)要求是：1500℃時的高溫抗拉強度≥40mpa；1500℃，10h時的持久強度≥10mpa；1500℃，5mpa，蠕變壽命≥50h；1500℃，5mpa，蠕變速率≤0.15％/h；靜態(tài)大氣條件下，1500℃，10h合金失重≤150mg/cm2。目前，性能最好的銥基合金或復(fù)合材料的性能也難以滿足以上航天高溫結(jié)構(gòu)材料的綜合技術(shù)要求。

3、銥具有較高的熔點(2446℃)，極強的抗氧化、耐腐蝕性能及化學(xué)穩(wěn)定性，高溫使用時無須涂層保護，已成為很多特殊應(yīng)用環(huán)境中不可缺少的高溫結(jié)構(gòu)材料，如玻纖工業(yè)漏板、實驗分析及晶體生長用器皿材料等。純銥強度較高但塑性較差，作為結(jié)構(gòu)材料需要合金化或復(fù)合化才能滿足使用要求。銥基體能被多種強化機制所強化，如固溶強化、形變強化、晶界強化、第二相強化、金屬間化合物強化等。為此，人們對銥的強化理論和機制進行了長期的研究，開發(fā)了多種強化銥材料。

4、目前，獲得實際使用的銥基合金材料品種繁多，涉及的高溫材料主要有兩類，即固溶強化型合金和彌散強化型復(fù)合材料。固溶強化型合金主要包括ir-rh、ir-cu、pt-ir、ir-ni、ir-w等二元合金，ir-ni-w、ir-rh-ru等三元合金。其中以pt-30ir合金的高溫力學(xué)性能最高，如1500℃的持久強度達到15mpa，但該合金的加工性能較差，難以加工成噴管、坩堝等具有復(fù)雜形狀的部件；低rh含量的ir-rh合金的加工性能雖然較好，但高溫力學(xué)性能達不到實際使用的技術(shù)要求?，F(xiàn)有ir-rh合金中，以ir-30rh的力學(xué)性能最好，但其1500℃，10h的持久強度僅為8mpa。進一步提高rh可以增加其高溫力學(xué)性能，但加工性能變得很差。研究發(fā)現(xiàn)，在純ir或低rh含量的ir-rh合金中添加少量的稀土元素，可以提高合金的高溫強度。

5、彌散強化型銥基復(fù)合材料主要包括以彌散氧化物顆粒為強化相的ods、zgs及dph三種，其高溫力學(xué)性能普遍高于同成分的固溶型銥基合金，如dph?ir-10rh復(fù)合材料在1600℃，10h條件下的持久強度達到7.5mpa，是ir-10rh合金的2倍。許多應(yīng)用場合需要將高溫結(jié)構(gòu)部件與其他金屬進行熔焊連接使用，但彌散強化銥基復(fù)合材料在熔化后較輕的氧化物顆粒從熔體中浮出，導(dǎo)致焊接處的強度下降至未強化的水平；另外，彌散強化后材料的延展性大大下降、脆性增加導(dǎo)致加工困難，以及應(yīng)力集中時易于開裂等問題，不能滿足航天發(fā)動機噴管及坩堝材料的使用要求。

6、為了進一步提高銥基合金的高溫力學(xué)性能，近年來人們正在積極尋求并研究具有與γ/γ’沉淀強化鎳基高溫合金具有類似結(jié)構(gòu)的銥基高溫合金。ir能與al及過渡金屬(如zr、hf、nb、ta等)形成面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)的固溶體和l12型有序金屬間化合物ir3x(x為al或過渡金屬，l12相亦稱γ’相)，fcc與γ’相形成理想的高溫強化共格結(jié)構(gòu)。研究人員對ir-hf、ir-zr、ir-al、ir-al-cr及ir-al-cr-ni合金系的研究發(fā)現(xiàn)，ir固溶體均能與l12結(jié)構(gòu)有序相平衡存在。但目前為止，未發(fā)現(xiàn)這些處于研究之中的沉淀強化型銥基合金材料的高溫力學(xué)、抗氧化等技術(shù)性能參數(shù)和實際應(yīng)用的報道。

7、衛(wèi)星、飛船等空間飛行器的發(fā)動機對噴管材料的主要技術(shù)要求是：1500℃時的高溫抗拉強度≥40mpa；1500℃，10h時的持久強度≥10mpa；1500℃，5mpa，蠕變壽命≥50h；1500℃，5mpa，蠕變速率≤0.15％/h；靜態(tài)大氣條件下，1500℃，10h合金失重≤150mg/cm2。目前，性能最好的銥基合金或復(fù)合材料的性能也難以滿足以上航天高溫結(jié)構(gòu)材料的綜合技術(shù)要求。

8、本發(fā)明結(jié)合銥基合金的固溶強化、沉淀強化與晶粒細化強化等復(fù)合強化機制，通過在高rh含量的ir-rh中添加微量的稀土元素，發(fā)明一種具有高強度、抗氧化及耐腐蝕等綜合優(yōu)良性能的ir-rh-re高溫合金結(jié)構(gòu)材料，以滿足航天及其他高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芨邷亟Y(jié)構(gòu)材料的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了提高銥基合金的性能，本發(fā)明的目的之一是提供一種ir-rh-re合金，所述ir-rh-re合金按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計，包括如下含量的物質(zhì)：69％～75％的ir、25％～30％的rh和0.05％～0.5％的re，其中ir、rh和re總的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為100％。

2、優(yōu)選的，所述re為la、ce中的一種或兩種的按任意比例復(fù)合添加。

3、本發(fā)明的另一目的是提供一種ir-rh-re合金的制備方法，包括合金的預(yù)合金化、熔煉澆鑄、均勻化熱處理、熱鍛加工、表面處理及冷鍛加工，具體步驟如下所述：

4、(1)預(yù)合金化：將配置好的合金原料放入電弧爐中熔煉得到預(yù)合金化的合金錠。

5、(2)熔煉澆鑄：將步驟(1)得到的預(yù)合金化的合金錠放入坩堝中，在真空-充氬氣條件下進行熔煉澆鑄，得到合金錠坯。

6、(3)均勻化熱處理：將步驟(2)得到的合金錠坯放入真空爐中進行均勻化熱處理。

7、(4)熱鍛加工：將經(jīng)過步驟(3)處理的合金錠坯進行熱鍛加工，熱鍛加工包括軋制和去應(yīng)力退火，得到合金棒材。

8、(5)表面處理：將步驟(4)得到的合金棒材，依次進行酸洗和車加工進行表面處理，去除棒材表面雜質(zhì)及表面缺陷。

9、(6)冷鍛加工：將經(jīng)過步驟(5)處理的合金棒材進行冷鍛加工，最終獲得半硬態(tài)的合金棒材。

10、優(yōu)選的，步驟(1)中熔煉條件為：在真空充氬氣條件下進行，充氬氣前電弧熔煉爐內(nèi)真空度不低于0.01pa，錠子需翻轉(zhuǎn)熔煉3～4次。

11、優(yōu)選的，步驟(2)中所述坩堝為氧化鋯坩堝；熔煉澆鑄條件為：真空度不低于0.01pa，熔煉溫度為1900～2000℃，采用水冷銅模澆鑄，澆鑄時間10～20s。

12、優(yōu)選的，步驟(3)均勻化熱處理的條件為：真空度不低于0.01pa，熱處理溫度1200℃～1300℃，時間不少于2h。

13、優(yōu)選的，步驟(4)中軋制每道次變形量控制在5％以內(nèi)，累計變形量達30％時進行去應(yīng)力退火，退火溫度1200℃～1300℃，時間不少于0.5h。

14、本發(fā)明所制備的ir-rh-re合金可應(yīng)用于新一代航天發(fā)動機噴管、坩堝、玻纖漏板及其他需要高溫高強度、抗氧化和耐腐蝕綜合性能的結(jié)構(gòu)材料。

15、貴金屬ir、rh能與la、ce形成多種形式的金屬間化合物(ir5re、ir3re)及稀土氧化物，大多數(shù)ir5re化合物的熔點高于1600℃，顯微硬度4600mpa，故ir5re化合物具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，能有效地進行相間擴散，將沉淀強化效應(yīng)推展到更高的溫度。這些金屬間化合物和氧化物顆粒彌散分布于ir基體的晶內(nèi)和晶界，使基體晶粒細化，品粒尺寸減小，強度和塑性提高，對ir或ir-rh基體具有明顯的組織細化及強化作用，顯著提高材料的高溫強度性能。加入re，形成ir、re和ir:re+(ir.rh)高熔點析出相高溫時難以分解，釘扎晶界，阻礙晶界遷移和晶粒長大，從而提高高溫強度。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、(1)本發(fā)明制備的ir-rh-re合金材料具有高強度、抗氧化和耐腐蝕等綜合性能，其最高性能達到：室溫抗拉強度1220mpa，1500℃抗拉強度49.5mpa；1500℃，10h，持久強度12.6mpa；1500℃，5mpa，蠕變壽命65.5h；1500℃，5mpa，蠕變速率0.06％/h；靜態(tài)大氣條件下，1500℃，10h合金失重50mg/cm2。

18、(2)經(jīng)典的ir-30rh合金在1500℃的抗拉強度為38mpa；1500℃，10h，持久強度為8.2mpa，本發(fā)明的ir-rh-re合金的最佳性能顯著高于經(jīng)典的ir-30rh合金。

19、(3)本發(fā)明是在高rh含量的基礎(chǔ)上，通過添加微量稀土元素la、ce進一步提高合金的高溫力學(xué)性能，同時保持了合金良好的加工性能及高溫抗氧化性能。