权利要求

1.一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金，其特征在于，包括Nb、W、Mo、Zr元素，其各元素的质量百分比表达为：Nb-xW-yMo-zZr，其中x=9.5～10.5%，y=1.7～2.3%，z=0.8～1.2%，余量为Nb及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金，其特征在于，所述的各元素的质量百分比表达为：Nb-xW-yMo-zZr，其中x=9.8～10.2%，y=1.8～2.2%，z=0.8～1.2%，余量为Nb及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金，其特征在于，所述的各元素的质量百分比表达为：Nb-xW-yMo-zZr，其中x=9.9～10.1%，y=1.9～2.1%，z=0.9～1.1%，余量为Nb及不可避免的杂质。

4.利用权利要求1-3所述的一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金的各元素的质量百分比，进行制作Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一、采用高纯度组元原料，根据一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金的各元素的质量百分比比例和质量百分比进行配料，并且混合均匀;

步骤二、在正式制备样品前用无水乙醇对水冷铜坩埚表面进行清洁;

步骤三、将配好的样品原料和高纯钛块分别放在不同的铜坩埚中;在正式熔炼铌合金样品前，先对钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，用于吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用

步骤四、接着将步骤一配好的配料放入在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内;对配好的配料成分的合金进行至少6次熔炼;其中，熔炼最大电流550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，一个样品熔炼时间15-20min;反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;

步骤五、采用钨丝炉炉对熔炼好的样品合金锭进行均一化退火处理，温度1550℃-1650℃，时间为4小时;

步骤六、随后使用轧机进行多道次单向温轧，样品通过马弗炉加热至300℃-360℃，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;

步骤七、再经过再结晶退火处理，1350℃-1450℃，保温1h，然后得到最终样品。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及合金设计领域，具体涉及一种耐热铌合金的成分设计及制备方法。

技术背景

[0002]随着航空航天技术的持续进步，对宇航材料的性能要求日益提升。众多国家研发的高温合金材料中，铌系列合金因其卓越的高温力学性能、加工性、低密度和成本效益，在宇航材料领域占据着举足轻重的地位。某国在1965年开发的C103铌合金，能在1400℃的长期使用温度下，甚至在1500℃的短时使用条件下，保持42MPa的拉伸强度，这一性能远超任何铁基或镍基合金，广泛应用于航天器的耐热结构，如卫星和飞船的辐射冷却轨、姿态控制推力室的壁材料等。

[0003]此后我国在某国5ΒΜЦ铌合金(Nb-5W-2Mo-1Zr)的基础上开发的铌钨合金(即Nb521)。Nb521合金相比于上一代材料无论是在使用温度、高温力学性能还是加工工艺性方面都有了大幅提升，进一步拓展了铌合金的应用范围。但同时也注意到，尽管Nb521具有较为优异的力学性能，但是，在超过1600℃的抗拉强度已经不足100MPa，在1800℃其强度下降到不足50MPa。我们需要进一步调整和优化合金成分以及制备工艺调控微观组织，以获得较高高温强度和良好室温塑性的耐热铌合金。

发明内容

[0004]针对现有技术存在的问题，本发明设计开发了一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金，使合金达到较高的高温强度。

[0005]一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金，其特征在于，包括Nb、W、Mo、Zr元素，其各元素的质量百分比表达为：Nb-xW-yMo-zZr，其中x=9.5～10.5%，y=1.7～2.3%，z=0.8～1.2%，余量为Nb及不可避免的杂质。

[0006]优选的，所述的各元素的质量百分比表达为：Nb-xW-yMo-zZr，其中x=9.8～10.2%，y=1.8～2.2%，z=0.8～1.2%，余量为Nb及不可避免的杂质。

[0007]也可以优选为，所述的各元素的质量百分比表达为：Nb-xW-yMo-zZr，其中x=9.9～10.1%，y=1.9～2.1%，z=0.9～1.1%，余量为Nb及不可避免的杂质。

[0008]利用上述的一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金的各元素的质量百分比，进行制作Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

[0009]步骤一、采用高纯度组元原料，根据一种Nb-W-Mo-Zr耐热铌合金的各元素的质量百分比比例和质量百分比进行配料，并且混合均匀;

[0010]步骤二、在正式制备样品前用无水乙醇对水冷铜坩埚表面进行清洁;

[0011]步骤三、将配好的样品原料和高纯钛块分别放在不同的铜坩埚中;在正式熔炼铌合金样品前，先对钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，用于吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用

[0012]步骤四、接着将步骤一配好的配料放入在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内;对配好的配料成分的合金进行至少6次熔炼;其中，熔炼最大电流550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，一个样品熔炼时间15-20min;反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;

[0013]步骤五、采用钨丝炉炉对熔炼好的样品合金锭进行均一化退火处理，温度1550℃-1650℃，时间为4小时;

[0014]步骤六、随后使用轧机进行多道次单向温轧，样品通过马弗炉加热至300℃-360℃，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;

[0015]步骤七、再经过再结晶退火处理，1350℃-1450℃，保温1h，然后得到最终样品。

[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0017]1.本发明方法采用电弧熔炼，设备操作简单安全可靠，在Nb521合金的基础上对合金成分进一步优化，通过提高W元素的含量，通过固溶强化进一步提高Nb-W合金的高温强度，同时还保证Nb-W合金良好的室温塑性。

[0018]2.通过合金设计，使得合金的组元元素添加含量配比合理，从而实现了耐热铌合金具有高抗拉强度与良好的室温塑性匹配。制备的合金板材，室温拉伸屈服强度428MPa，抗拉强度540MPa，且延伸率30.8%。

[0019]3.利用W的高熔点特性，有效提高了铌合金的耐热温度，同时提高了合金的室温和高温强度，在1550℃-1650℃下铌合金的强度达到了188MPa，有望为超高温极端环境下服役的装备提供新的材料选择，在航空航天工业的重要高温部件上具有较大的应用潜力。

附图说明

[0020]图1、为本发明和第二代铌钨合金(Nb521)的室温力学性能曲线对比图;

[0021]图2、为本发明和第二代铌钨合金(Nb521)在1550℃-1650℃下的力学性能曲线对比图。

具体实施方式

[0022]本发明的实现上述技术方案的构思是：钨(W)作为一种重要的固溶强化元素，在高温合金中具有显著的作用。在高温下，W原子的掺杂能够显著提高合金的强度和硬度，这种效应被称为固溶强化。W原子半径较大，固溶在合金基体中会引起晶格畸变，且在高温下W原子的扩散能力较弱，在Nb的BCC基体中容易形成较大的长程应力场，有效阻止位错运动，从而提高铌合金的高温强度。

[0023]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0024]设计制备了一种耐热铌合金，包括Nb、W、Mo、Zr元素，其各元素的质量百分比(wt.%)表达为：Nb-xW-yMo-zZr，其中x=9.5～10.5%，y=1.7～2.3%，z=0.8～1.2%，余量为Nb及不可避免的杂质;其在1550℃-1650℃下的抗拉强度达到了188MPa，室温下的延伸率超过30%。

[0025]本发明的制备方法如下：首先，采用高纯度组元原料根据质量百分比(wt.%)进行配料;在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用，接着对每个成分的合金进行至少6次熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1450℃/1h后得到最终样品。制备的合金板材，室温拉伸屈服强度428MPa，抗拉强度540MPa，且延伸率30.8%，1550℃-1650℃下的抗拉强度高达188MPa。

[0026]以下结合技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

[0027]实施例1：

[0028]步骤1：将纯度均大于99.95%的Nb颗粒，W粉(1-3μm)，Mo颗粒，Zr颗粒按87:10:2:1质量比混合均匀的铌合金原料;

[0029]步骤2：使用电弧熔炼炉进行熔炼，打开冷却水，打开放气阀开启真空电弧熔炼室，放料前将炉膛和铜坩埚清洗干净，在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用。接着对每个成分的合金进行至少6熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1350℃-1450℃/1h后得到最终样品。

[0030]步骤3：利用快走丝线切割在板材样品上加工出室温和高温测试所需要的拉伸试样。用Instron-5969电子万能材料试验机测试材料室温下的拉伸性能，应变率为3×10-3S-1;利用UZDL-50试验机测试材料高温拉伸性能，应变率为10-3S-1。

[0031]图1反映了室温条件下材料的拉伸性能曲线，从图1中可知Nb-10W-2Mo-1Zr合金的屈服强度为428MPa，抗拉强度为540MPa，室温延伸率30.8%，室温力学性能高于第二代铌钨合金(Nb521)。

[0032]图2反映了1550℃-1650℃下材料的拉伸性能曲线，从图2可知Nb-10W-2Mo-1Zr合金的在1550℃-1650℃下的抗拉强度为188MPa，其高温强度优于第二代铌钨合金(Nb521)。

[0033]实施例2：

[0034]步骤1：将纯度均大于99.95%的Nb颗粒，W粉(1-3μm)，Mo颗粒，Zr颗粒按87.5：9.5：2：1质量比混合均匀的铌合金原料;

[0035]步骤2：使用电弧熔炼炉进行熔炼，打开冷却水，打开放气阀开启真空电弧熔炼室，放料前将炉膛和铜坩埚清洗干净，在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用，接着对每个成分的合金进行至少6熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1350℃-1450℃/1h后得到最终样品。

[0036]步骤3：利用快走丝线切割在板材样品上加工出室温和高温测试所需要的拉伸试样。用Instron-5969电子万能材料试验机测试材料室温下的拉伸性能，应变率为3×10-3S-1;利用UZDL-50试验机测试材料高温拉伸性能，应变率为10-3S-1。

[0037]实施例3：

[0038]步骤1：将纯度均大于99.95%的Nb颗粒，W粉(1-3μm)，Mo颗粒，Zr颗粒按87.7：9.5：2：0.8质量比混合均匀的铌合金原料;

[0039]步骤2：使用电弧熔炼炉进行熔炼，打开冷却水，打开放气阀开启真空电弧熔炼室，放料前将炉膛和铜坩埚清洗干净，在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用，接着对每个成分的合金进行至少6熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1350℃-1450℃/1h后得到最终样品。

[0040]步骤3：利用快走丝线切割在板材样品上加工出室温和高温测试所需要的拉伸试样。用Instron-5969电子万能材料试验机测试材料室温下的拉伸性能，应变率为3×10-3S-1;利用UZDL-50试验机测试材料高温拉伸性能，应变率为10-3S-1。

[0041]实施例4：

[0042]步骤1：将纯度均大于99.95%的Nb颗粒，W粉(1-3μm)，Mo颗粒，Zr颗粒按87.3：9.5：2：1.2质量比混合均匀的铌合金原料;

[0043]步骤2：使用电弧熔炼炉进行熔炼，打开冷却水，打开放气阀开启真空电弧熔炼室，放料前将炉膛和铜坩埚清洗干净，在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用，接着对每个成分的合金进行至少6熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1350℃-1450℃/1h后得到最终样品。

[0044]步骤3：利用快走丝线切割在板材样品上加工出室温和高温测试所需要的拉伸试样。用Instron-5969电子万能材料试验机测试材料室温下的拉伸性能，应变率为3×10-3S-1;利用UZDL-50试验机测试材料高温拉伸性能，应变率为10-3S-1。

[0045]实施例5：

[0046]步骤1：将纯度均大于99.95%的Nb颗粒，W粉(1-3μm)，Mo颗粒，Zr颗粒按86.8：10.5：1.7：1质量比混合均匀的铌合金原料;

[0047]步骤2：使用电弧熔炼炉进行熔炼，打开冷却水，打开放气阀开启真空电弧熔炼室，放料前将炉膛和铜坩埚清洗干净，在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用，接着对每个成分的合金进行至少6熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1350℃-1450℃/1h后得到最终样品。

[0048]步骤3：利用快走丝线切割在板材样品上加工出室温和高温测试所需要的拉伸试样。用Instron-5969电子万能材料试验机测试材料室温下的拉伸性能，应变率为3×10-3S-1;利用UZDL-50试验机测试材料高温拉伸性能，应变率为10-3S-1。

[0049]实施例6：

[0050]步骤1：将纯度均大于99.95%的Nb颗粒，W粉(1-3μm)，Mo颗粒，Zr颗粒按86.5：10.5：2：1质量比混合均匀的铌合金原料;

[0051]步骤2：使用电弧熔炼炉进行熔炼，打开冷却水，打开放气阀开启真空电弧熔炼室，放料前将炉膛和铜坩埚清洗干净，在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用，接着对每个成分的合金进行至少6熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1350℃-1450℃/1h后得到最终样品。

[0052]步骤3：利用快走丝线切割在板材样品上加工出室温和高温测试所需要的拉伸试样。用Instron-5969电子万能材料试验机测试材料室温下的拉伸性能，应变率为3×10-3S-1;利用UZDL-50试验机测试材料高温拉伸性能，应变率为10-3S-1。

[0053]实施例7：

[0054]步骤1：将纯度均大于99.95%的Nb颗粒，W粉(1-3μm)，Mo颗粒，Zr颗粒按86.2：10.5：2.3：1质量比混合均匀的铌合金原料;

[0055]步骤2：使用电弧熔炼炉进行熔炼，打开冷却水，打开放气阀开启真空电弧熔炼室，放料前将炉膛和铜坩埚清洗干净，在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内放入配制好的纯金属料，然后在氩气保护氛围下采用非自耗电弧熔炼法进行熔炼。在正式制备样品前对高纯钛块进行熔炼，熔炼电流为300A，吸收炉腔内残存的氧气，同时可以起到检查炉体密封性的作用，接着对每个成分的合金进行至少6熔炼，电流不超过550A，通过多次熔炼消除合金的成分偏析，单次熔炼时长不超过1min以防止炉体过热导致密封圈老化，反复熔炼最终得到纽扣状合金锭，每个合金的制备过程中质量损失不超过0.1%;其次，采用钨丝炉炉对合金锭进行均一化退火处理1550℃-1650℃/4h，随后使用轧机进行多道次单向温轧(样品通过马弗炉加热至300-360℃)，单次下压量为0.1～0.3mm，轧制总下压量为80～90%;最后经过再结晶退火处理1350℃-1450℃/1h后得到最终样品。

[0056]步骤3：利用快走丝线切割在板材样品上加工出室温和高温测试所需要的拉伸试样。用Instron-5969电子万能材料试验机测试材料室温下的拉伸性能，应变率为3×10-3S-1;利用UZDL-50试验机测试材料高温拉伸性能，应变率为10-3S-1。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

说明书附图(2)