权利要求
1.一种高强韧Nb-B-V合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、分别称取93.7~97.4wt.%的Nb颗粒、0.3~1.0wt.%的NbB2粉末和2.0~6.0wt.%的V块，混合，得到混合料;
步骤2、将混合料和Ti块分别放入真空电弧炉的两个水冷铜坩埚内，对真空电弧炉内抽真空并通入氩气;
步骤3、先熔炼真空电弧炉内的Ti块从而去除炉内残留的氧气，然后熔炼混合料，冷却后，得到银白色饼状样品A;
步骤4、将样品A转移至已预热的马弗炉，在430~480℃下，保温5~10 min，得到样品B;
步骤5、以0.15~0.25 mm的下压量，将样品B轧制数次，制成厚度为1.5~2 mm的薄板，每次轧制结束后，将样品放入已预热的马弗炉，在430~480℃下，保温1~2 min，得到样品C;
步骤6、将样品C转移至真空钨丝炉内，对真空钨丝炉抽真空，再以9.5~10℃/min的升温速率，升温至1400~1600℃，保温1~2 h，随炉冷却，得到高强韧Nb-B-V合金。
2.根据权利要求1所述的高强韧Nb-B-V合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1的Nb颗粒、NbB2粉末和V块的纯度均大于99.95%。
3.根据权利要求1所述的高强韧Nb-B-V合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2中对真空电弧炉内抽真空并通入氩气的具体过程为：
步骤2.1、锁紧真空电弧炉的炉门并紧闭排气阀，依次打开机械泵和真空阀，使用机械泵将真空电弧炉内气压抽至低于5 Pa，关闭机械泵和真空阀;
步骤2.2、打开氩气阀门，向真空电弧炉内通入高纯氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.03~0.06 MPa，关闭氩气阀门;
步骤2.3、使用机械泵抽出真空电弧炉内的气体直至炉内压强低于5 Pa，打开分子泵，将真空电弧炉内的压强抽至低于1×10-3~5×10-3 Pa;
步骤2.4、向真空电弧炉内通入氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.03~0.06 MPa。
4.根据权利要求1所述的高强韧Nb-B-V合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1、打开真空电弧炉的电流开关，将电弧枪移至Ti块上方3~5 mm处，使用250~300A的电流，上下熔炼至Ti块熔化，从而去除真空电弧炉内残留的氧气;
步骤3.2、将电弧枪移至混合料上方，先使用250~300 A低电流，上下熔炼一次，再使用350~450 A的大电流，上下熔炼4~6次，每次熔炼的时间为1~1.5 min;
步骤3.3、关闭真空电弧炉的电流开关，使样品在水冷铜坩埚内静置15~25 min，待自然冷却，打开真空电弧炉的炉门，将无水乙醇喷洒在样品表面，得到表面平整光亮的银白色饼状样品A。
5.根据权利要求1所述的高强韧Nb-B-V合金的制备方法，其特征在于，所述步骤6中对真空钨丝炉抽真空的过程为：先使用机械抽出真空钨丝炉内的气体至至炉内气压低于8Pa，然后使用分子泵，将真空钨丝炉内的压强抽至1× 10-3~5×10-3 Pa。
6.根据权利要求1~5任一项所述方法制备的高强韧Nb-B-V合金。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于结构材料技术领域，具体是一种高强韧Nb-B-V合金及其制备方法。
背景技术
[0002]随着我国航空航天技术的快速迭代发展，对合金材料的强韧性和轻量化提出了更高的要求，Nb合金凭借高熔点和低密度以及良好的室温加工性能，在航空航天材料领域受到广泛的关注，虽然传统的Nb521(Nb-5W-2Mo-1Zr)合金兼具W、Mo元素的固溶以及Zr元素在基体中形成的第二相强化，但是，其抗拉强度仅461 MPa，延伸率不足20%。
[0003]另一种高强Nb合金WC-3009(Nb30Hf9W)合金相较于Nb521合金而言，强度与塑韧性大幅提升，但是，WC-3009合金添加了约30 wt%的Hf元素，Hf元素密度大且价格昂贵，限制了其在航天领域的应用。
[0004]因此，如何在维持Nb合金轻量化的前提下，综合提升Nb合金的室温强塑性，对于我国航空航天技术的快速发展具有重要的意义。
发明内容
[0005]本发明目的在于提供一种高强韧Nb-B-V合金及其制备方法，Nb-B-V合金具有优异的室温抗拉伸强度和延伸率。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高强韧Nb-B-V合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、分别称取93.7~97.4wt.%的Nb颗粒、0.3~1.0wt.%的NbB2粉末和2.0~6.0wt.%的V块，混合，得到混合料;
步骤2、将混合料和Ti块分别放入真空电弧炉的两个水冷铜坩埚内，对真空电弧炉内抽真空并通入氩气;
步骤3、先熔炼真空电弧炉内的Ti块从而去除炉内残留的氧气，然后熔炼混合料，冷却后，得到银白色饼状样品A;
步骤4、将样品A转移至已预热的马弗炉，在430~480℃下，保温5~10 min，得到样品B;
步骤5、以0.15~0.5 mm的下压量，将样品B轧制数次，制成厚度为1.5~2 mm的薄板，每次轧制结束后，将样品放入已预热的马弗炉，在430~480℃下，保温1~2 min，得到样品C;
步骤6、将样品C转移至真空钨丝炉内，对真空钨丝炉抽真空，再以9.5~10℃/min的升温速率，升温至1400~1600℃，保温1~2 h，随炉冷却，得到高强韧Nb-B-V合金。
[0007]进一步地，所述步骤1的Nb颗粒、NbB2粉末和V块的纯度均大于99.95%。
[0008]进一步地，所述步骤2中对真空电弧炉内抽真空并通入氩气的具体过程为：
步骤2.1、锁紧真空电弧炉的炉门并紧闭排气阀，依次打开机械泵和真空阀，使用机械泵将真空电弧炉内气压抽至低于5 Pa，关闭机械泵和真空阀;
步骤2.2、打开氩气阀门，向真空电弧炉内通入高纯氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.03~0.06 MPa，关闭氩气阀门;
步骤2.3、使用机械泵抽出真空电弧炉内的气体直至炉内压强低于5 Pa，打开分子泵，将真空电弧炉内的压强抽至低于1×10-3~5×10-3Pa;
步骤2.4、向真空电弧炉内通入氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.03~0.06 MPa。
[0009]进一步地，所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1、打开真空电弧炉的电流开关，将电弧枪移至Ti块上方3~5 mm处，使用250~300 A的电流，上下熔炼至Ti块熔化，从而去除真空电弧炉内残留的氧气;
步骤3.2、将电弧枪移至混合料上方，先使用250~300 A低电流，上下熔炼一次，再使用350~450 A的大电流，上下熔炼4~6次，每次熔炼的时间为1~1.5 min;
步骤3.3、关闭真空电弧炉的电流开关，使样品在水冷铜坩埚内静置15~25 min，待自然冷却，打开真空电弧炉的炉门，将无水乙醇喷洒在样品表面，得到表面平整光亮的银白色饼状样品A。
[0010]进一步地，所述步骤6中对真空钨丝炉抽真空的过程为：先使用机械抽出真空钨丝炉内的气体至至炉内气压低于8 Pa，然后使用分子泵，将真空钨丝炉内的压强抽至1× 10-3~5×10-3Pa。
[0011]一种高强韧Nb-B-V合金。
[0012]本发明具有如下有益技术效果：
一方面，本发明通过在铌基体中添加NbB2与V从而合成Nb-B-V合金，借助基体中弥散分布的细小析出相和钒的晶格畸变协同作用，有效阻碍位错运动，提高了Nb合金的强度和韧性，尤其是，当NbB2粉末和V块添加量分别为0.3wt.%和6.0wt.%时，合成的Nb-B-V合金的室温抗拉强度为671.4 MPa，室温延伸率为22.4%，为铌合金在航天与核能领域应用奠定了坚实的基础;另一方面，对真空熔炼得到的饼状样品进行高温和低温退火，既有助于提高合金内部成分的均匀性，能够有效减少因内部成分偏聚而对力学性能产生的不利影响，又能够消除样品在加工过程中产生的内部残余应力以及内部组织缺陷，从而提高合金的力学性能。
[0013]本发明先使用250~300 A低电流熔炼原料，再使用350~450 A的大电流熔炼，相对于直接使用大电流熔炼而言，可以有效防止原料粉末飞溅，不仅减少了原料损失，提高了合金质量，而且减少了对真空电弧炉以及电弧枪的腐蚀。
附图说明
[0014]图1为本发明实施例制备的Nb-0.3NbB2-6.0V合金的室温应力应变曲线。
具体实施方式
[0015]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0016]本发明实施例1~实施例5的Nb颗粒、NbB2粉末和V块的纯度均大于99.95%。
[0017]本发明实施例1~实施例5在轧制过程中，通过调整轧辊单次下降高度从而将下压量控制在0.15~0.25 mm。
[0018]实施例1
步骤1、分别称取93.7wt.%的Nb颗粒、0.3wt.%的NbB2粉末和6wt.%的V块，混合，得到混合料;
步骤2、将混合料和Ti块分别放入真空电弧炉的两个水冷铜坩埚内，对真空电弧炉内抽真空并通入氩气，具体过程为：
步骤2.1、锁紧真空电弧炉的炉门并紧闭排气阀，依次打开机械泵和真空阀，使用机械泵将真空电弧炉内气压抽至低于5 Pa，关闭机械泵和真空阀;
步骤2.2、打开氩气阀门，向真空电弧炉内通入高纯氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.05 MPa，关闭氩气阀门;
步骤2.3、使用机械泵抽出真空电弧炉内的气体直至炉内压强低于5 Pa，打开分子泵，将真空电弧炉内的压强抽至低于3×10-3Pa;
步骤2.4、向真空电弧炉内通入氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.05 MPa;
步骤3、先熔炼真空电弧炉内的Ti块从而去除炉内残留的氧气，然后熔炼混合料，冷却后，得到银白色饼状样品A，具体过程为：
步骤3.1、打开真空电弧炉的电流开关，将电弧枪移至Ti块上方3 mm处，使用300 A的电流，上下熔炼至Ti块熔化，从而去除真空电弧炉内残留的氧气;
步骤3.2、将电弧枪移至混合料上方，先使用280 A低电流，上下熔炼一次，再使用420 A的大电流，上下熔炼4次，每次熔炼的时间为1 min;
步骤3.3、关闭真空电弧炉的电流开关，使样品在水冷铜坩埚内静置20 min，待自然冷却，打开真空电弧炉的炉门，将无水乙醇喷洒在样品表面，得到表面平整光亮的银白色饼状样品A;
步骤4、将样品A转移至已预热的马弗炉，在450℃下，保温7 min，得到样品B;
步骤5、以0.2 mm的下压量，经过数次轧制，将样品B轧制成厚度为1.5 mm的薄板，每次轧制结束后，将样品放入已预热的马弗炉，在450℃下，保温1 min，得到样品C;
步骤6、将样品C转移至真空钨丝炉内，先使用机械抽出真空钨丝炉内的气体至至炉内气压低于8 Pa，然后使用分子泵，将真空钨丝炉内的压强抽至5×10-3Pa，再以10℃/min的升温速率，升温至1600℃，保温1 h，随炉冷却，得到高强韧Nb-B-V合金，记作Nb-0.3NbB2-6.0V。
[0019]将Nb-0.3NbB2-6.0V以快走丝线切割的方式切割成拉伸试样，先使用400目的砂纸将拉伸试样表面的氧化层与细小凹坑打磨平整，再使用电动打磨机将拉伸试样侧边因线切割产生的切割沟槽打磨平整，防止拉伸过程中由试样线切割加工而产生的应力集中，然后在室温下，进行拉伸实验，结果如图1所示，可以看出，抗拉强度为671.4 MPa，延伸率为22.4%，高于Nb521合金461 MPa的抗拉强度和18%的延伸率。
[0020]实施例2
步骤1、分别称取97.0wt.%的Nb颗粒、1.0wt.%的NbB2粉末和2.0wt.%的V块，混合，得到混合料;
步骤2、将混合料和Ti块分别放入真空电弧炉的两个水冷铜坩埚内，对真空电弧炉内抽真空并通入氩气，具体过程为：
步骤2.1、锁紧真空电弧炉的炉门并紧闭排气阀，依次打开机械泵和真空阀，使用机械泵将真空电弧炉内气压抽至低于5 Pa，关闭机械泵和真空阀;
步骤2.2、打开氩气阀门，向真空电弧炉内通入高纯氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.06 MPa，关闭氩气阀门;
步骤2.3、使用机械泵抽出真空电弧炉内的气体直至炉内压强低于5 Pa，打开分子泵，将真空电弧炉内的压强抽至低于5×10-3Pa;
步骤2.4、向真空电弧炉内通入氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.03 MPa;
步骤3、先熔炼真空电弧炉内的Ti块从而去除炉内残留的氧气，然后熔炼混合料，冷却后，得到银白色饼状样品A，具体过程为：
步骤3.1、打开真空电弧炉的电流开关，将电弧枪移至Ti块上方4 mm处，使用280 A的电流，上下熔炼至Ti块熔化，从而去除真空电弧炉内残留的氧气;
步骤3.2、将电弧枪移至混合料上方，先使用250 A低电流，上下熔炼一次，再使用450 A的大电流，上下熔炼5次，每次熔炼的时间为1.2 min;
步骤3.3、关闭真空电弧炉的电流开关，使样品在水冷铜坩埚内静置15 min，待自然冷却，打开真空电弧炉的炉门，将无水乙醇喷洒在样品表面，得到表面平整光亮的银白色饼状样品A;
步骤4、将样品A转移至已预热的马弗炉，在430℃下，保温10 min，得到样品B;
步骤5、以0.15 mm的下压量，经过数次轧制，将样品B轧制成厚度为1.75 mm的薄板，每次轧制结束后，将样品放入已预热的马弗炉，在480℃下，保温1.5 min，得到样品C;
步骤6、将样品C转移至真空钨丝炉内，先使用机械抽出真空钨丝炉内的气体至至炉内气压低于8 Pa，然后使用分子泵，将真空钨丝炉内的压强抽至2.5×10-3Pa，再以10℃/min的升温速率，升温至1400℃，保温2 h，随炉冷却，得到高强韧Nb-B-V合金，记作Nb-1.0NbB2-2.0V。
[0021]实施例3
步骤1、分别称取95.4wt.%的Nb颗粒、0.6wt.%的NbB2粉末和4.0 wt.%的V块，混合，得到混合料;
步骤2、将混合料和Ti块分别放入真空电弧炉的两个水冷铜坩埚内，对真空电弧炉内抽真空并通入氩气，具体过程为：
步骤2.1、锁紧真空电弧炉的炉门并紧闭排气阀，依次打开机械泵和真空阀，使用机械泵将真空电弧炉内气压抽至低于5 Pa，关闭机械泵和真空阀;
步骤2.2、打开氩气阀门，向真空电弧炉内通入高纯氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.03 MPa，关闭氩气阀门;
步骤2.3、使用机械泵抽出真空电弧炉内的气体直至炉内压强低于5 Pa，打开分子泵，将真空电弧炉内的压强抽至低于1×10-3Pa;
步骤2.4、向真空电弧炉内通入氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.06 MPa;
步骤3、先熔炼真空电弧炉内的Ti块从而去除炉内残留的氧气，然后熔炼混合料，冷却后，得到银白色饼状样品A，具体过程为：
步骤3.1、打开真空电弧炉的电流开关，将电弧枪移至Ti块上方5 mm处，使用250 A的电流，上下熔炼至Ti块熔化，从而去除真空电弧炉内残留的氧气;
步骤3.2、将电弧枪移至混合料上方，先使用300 A低电流，上下熔炼一次，再使用350 A的大电流，上下熔炼6次，每次熔炼的时间为1.5 min;
步骤3.3、关闭真空电弧炉的电流开关，使样品在水冷铜坩埚内静置25 min，待自然冷却，打开真空电弧炉的炉门，将无水乙醇喷洒在样品表面，得到表面平整光亮的银白色饼状样品A;
步骤4、将样品A转移至已预热的马弗炉，在440℃下，保温5 min，得到样品B;
步骤5、以0.25 mm的下压量，经过数次轧制，将样品B轧制成厚度为2 mm的薄板，每次轧制结束后，将样品放入已预热的马弗炉，在430℃下，保温2 min，得到样品C;
步骤6、将样品C转移至真空钨丝炉内，先使用机械抽出真空钨丝炉内的气体至至炉内气压低于8 Pa，然后使用分子泵，将真空钨丝炉内的压强抽至1×10-3Pa，再以9.5℃/min的升温速率，升温至1600℃，保温1 h，随炉冷却，得到高强韧Nb-B-V合金，记作Nb-0.6NbB2-4.0V。
[0022]实施例4
步骤1、分别称取95.7wt.%的Nb颗粒、0.3wt.%的NbB2粉末和4.0wt.%的V块，混合，得到混合料;
步骤2、将混合料和Ti块分别放入真空电弧炉的两个水冷铜坩埚内，对真空电弧炉内抽真空并通入氩气，具体过程为：
步骤2.1、锁紧真空电弧炉的炉门并紧闭排气阀，依次打开机械泵和真空阀，使用机械泵将真空电弧炉内气压抽至低于5 Pa，关闭机械泵和真空阀;
步骤2.2、打开氩气阀门，向真空电弧炉内通入高纯氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.05 MPa，关闭氩气阀门;
步骤2.3、使用机械泵抽出真空电弧炉内的气体直至炉内压强低于5 Pa，打开分子泵，将真空电弧炉内的压强抽至低于2×10-3Pa;
步骤2.4、向真空电弧炉内通入氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.05 MPa;
步骤3、先熔炼真空电弧炉内的Ti块从而去除炉内残留的氧气，然后熔炼混合料，冷却后，得到银白色饼状样品A，具体过程为：
步骤3.1、打开真空电弧炉的电流开关，将电弧枪移至Ti块上方4 mm处，使用270 A的电流，上下熔炼至Ti块熔化，从而去除真空电弧炉内残留的氧气;
步骤3.2、将电弧枪移至混合料上方，先使用270 A低电流，上下熔炼一次，再使用400 A的大电流，上下熔炼5次，每次熔炼的时间为1.3 min;
步骤3.3、关闭真空电弧炉的电流开关，使样品在水冷铜坩埚内静置22 min，待自然冷却，打开真空电弧炉的炉门，将无水乙醇喷洒在样品表面，得到表面平整光亮的银白色饼状样品A;
步骤4、将样品A转移至已预热的马弗炉，在460℃下，保温8 min，得到样品B;
步骤5、以0.15 mm的下压量，经过数次轧制，将样品B轧制成厚度为2 mm的薄板，每次轧制结束后，将样品放入已预热的马弗炉，在470℃下，保温1 min，得到样品C;
步骤6、将样品C转移至真空钨丝炉内，先使用机械抽出真空钨丝炉内的气体至至炉内气压低于8 Pa，然后使用分子泵，将真空钨丝炉内的压强抽至3×10-3Pa，再以9.5℃/min的升温速率，升温至1550℃，保温1 h，随炉冷却，得到高强韧Nb-B-V合金，记作Nb-0.3NbB2-4.0V。
[0023]实施例5
步骤1、分别称取97.4wt.%的Nb颗粒、0.6wt.%的NbB2粉末和2.0wt.%的V块，混合，得到混合料;
步骤2、将混合料和Ti块分别放入真空电弧炉的两个水冷铜坩埚内，对真空电弧炉内抽真空并通入氩气，具体过程为：
步骤2.1、锁紧真空电弧炉的炉门并紧闭排气阀，依次打开机械泵和真空阀，使用机械泵将真空电弧炉内气压抽至低于5 Pa，关闭机械泵和真空阀;
步骤2.2、打开氩气阀门，向真空电弧炉内通入高纯氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.04 MPa，关闭氩气阀门;
步骤2.3、使用机械泵抽出真空电弧炉内的气体直至炉内压强低于5 Pa，打开分子泵，将真空电弧炉内的压强抽至低于4×10-3Pa;
步骤2.4、向真空电弧炉内通入氩气，直至真空电弧炉内的压强为0.04 MPa;
步骤3、先熔炼真空电弧炉内的Ti块从而去除炉内残留的氧气，然后熔炼混合料，冷却后，得到银白色饼状样品A，具体过程为：
步骤3.1、打开真空电弧炉的电流开关，将电弧枪移至Ti块上方5 mm处，使用290 A的电流，上下熔炼至Ti块熔化，从而去除真空电弧炉内残留的氧气;
步骤3.2、将电弧枪移至混合料上方，先使用290 A低电流，上下熔炼一次，再使用370 A的大电流，上下熔炼5次，每次熔炼的时间为1.5 min;
步骤3.3、关闭真空电弧炉的电流开关，使样品在水冷铜坩埚内静置20 min，待自然冷却，打开真空电弧炉的炉门，将无水乙醇喷洒在样品表面，得到表面平整光亮的银白色饼状样品A;
步骤4、将样品A转移至已预热的马弗炉，在480℃下，保温6 min，得到样品B;
步骤5、以0.25 mm的下压量，经过数次轧制，将样品B轧制成厚度为1.75 mm的薄板，每次轧制结束后，将样品放入已预热的马弗炉，在440℃下，保温2 min，得到样品C;
步骤6、将样品C转移至真空钨丝炉内，先使用机械抽出真空钨丝炉内的气体至至炉内气压低于8 Pa，然后使用分子泵，将真空钨丝炉内的压强抽至4×10-3Pa，再以9.5℃/min的升温速率，升温至1450℃，保温1.5 h，随炉冷却，得到高强韧Nb-B-V合金，记作Nb-0.6NbB2-2.0V。
说明书附图(1)
