一种铌硅铁合金发动机零件及其制备方法.pdf

一种铌硅铁合金发动机零件及其制备方法，它涉及一种发动机零件及其制备方法。本发明解决了目前发动机零件的工作温度低、制备发动机零件的方法复杂、成本高的问题。本发明的铌硅铁合金发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅铁合金按原子百分比由77％～96％的铌、3％～20％硅和1％～3％的铁制成；本发明的方法以铌、硅和铁的粉末为原料，用机械合金化法制备复合粉末后冷压成坯料，在真空热压炉中将石墨模具中的坯料挤压成最终形状的发动机零件。本发明的铌硅铁合金发动机零件适应的工作温度高，满足了现代航空航天发动机的应用

1.  一种铌硅铁合金发动机零件，其特征在于发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅铁合金按原子百分比由77％～96％的铌、3％～20％硅和1％～3％的铁制成。

2.  根据权利要求1所述的铌硅铁合金发动机零件，其特征在于铌硅铁合金按原子百分比由82.5％～90.5％的铌、8％～15％的硅和1.5％～2.5％的铁制成。

3.  制备权利要求1所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于它按以下步骤进行：一、按原子百分比分别称取77％～96％质量纯度≥99.9％的铌粉、3％～20％质量纯度≥99.0％的硅粉和1％～3％质量纯度≥99.5％的铁粉混匀，然后采用机械合金化法制备出复合粉末；二、先计算出铌硅铁合金的密度ρ及所要制备的发动机零件的体积v，按照m＝ρv计算所需经步骤一制备的复合粉末的质量m，称取质量为m的复合粉末并将其再在室温和压力为200MPa～900MPa的条件下，采用钢模冷压制成相对密度为70％～80％的坯料(3)；三、根据发动机零件的最终尺寸和形状设计加工分瓣石墨模具(2)和石墨套筒(5)，然后将分瓣石墨模具(2)的型腔(4)的内壁用氮化硼润滑剂均匀涂覆，然后将经步骤二制备的坯料(3)放入分瓣石墨模具(2)的型腔(4)的上端，再将分瓣石墨模具(2)用石墨套筒(5)套住，组成待热压件；四、将待热压件置于真空热压烧结炉内，将真空室的真空度抽至10^-2Pa～10^-3Pa、真空热压烧结炉程序升温至热压温度为1400℃～1700℃保持5-10min后，在上压头(1)上施加50MPa～100MPa的压力将坯料(3)压入石墨模具(2)的型腔(4)中，形成发动机零件(6)，最后随炉冷却至室温，即得到铌硅铁合金发动机零件。

4.  根据权利要求3所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤一中机械合金化法制备复合粉末是按如下步骤进行的：将称量好的铌粉、硅粉和铁粉混匀，然后加入到采用不锈刚磨球的球磨罐中，球料质量比为15∶1，再加入占粉末混合物总质量10％的分析纯的无水乙醇，在质量纯度≥99.999％的氩气的保护下，以100rpm～300rpm的速度球磨20h～30h，干燥，制备出复合粉末。

5.  根据权利要求3或4所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤二中铌硅铁合金的密度ρ的计算方法是：ρ＝1/(C_Nb/ρ_Nb+C_Si/ρ_Si+C_Fe/ρ_Fe)，其中：C_Nb，C_Si和C_Fe分别为合金中铌、硅和铁的质量百分含量；ρ_Nb、ρ_Si和ρ_Fe分别为铌、硅和铁的密度。

6.  根据权利要求5所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是：先以10℃/min～20℃/min的速度升温至800℃～1100℃，接着以10℃/min～15℃/min的速度升温至1300℃～1500℃并保持30min～60min，再以10℃/min～15℃/min的速度升温至热压温度。

7.  根据权利要求3、4或6所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤一中按原子百分比分别称取82.5％～90.5％质量纯度≥99.9％的铌粉、8％～15％质量纯度≥99.0％的硅粉和1.5％～2.5％质量纯度≥99.5％的铁粉。

8.  根据权利要求7所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤二中的压力为300MPa～800MPa。

9.  根据权利要求3、4、6或8所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于骤四中真空室的真空度为2×10^-3Pa～8×10^-3Pa、压力为60MPa～90MPa。

10.  根据权利要求9所述的铌硅铁合金发动机零件的制备方法，其特征在于步骤四中真空热压烧结炉的温度升至1500℃～1600℃。

一种铌硅铁合金发动机零件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金发动机零件及其制备方法。
背景技术
现代航空航天事业的发展要求制备发动机高温零件的材料具有适当的密度、在1300℃左右具有足够高的强度，目前，用于制备发动机高温零件的材料是镍基超合金，但镍基超合金的熔点为1250℃～1400℃，允许的最高工作温度为1050℃～1150℃，进一步提高工作温度的空间不大，不能满足发动机高温零件的使用要求；目前的制备发动机高温零件的方法，通常是先使用铸造方法制备出合金坯料，然后对其进行后续处理(如热处理)来改善其组织及加工性能，最后再进行大量的机加工工序制成最终的零件，此方法制备的合金坯料容易产生合金组织粗大、分布不均匀和偏析等现象，严重影响材料的力学性能，需要多次熔炼和热处理来加以改善，生产周期长，能量消耗大，而且在机加工过程中又要浪费大量的材料，增加了生产成本。
发明内容
本发明是为了解决目前的发动机高温零件适应的工作温度低，不能满足现代航空航天发动机的应用要求，制备方法复杂、成本高的缺陷，而提供一种铌硅铁合金发动机零件及其制备方法。
本发明的铌硅铁合金发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅铁合金按原子百分比由77％～96％的铌、3％～20％硅和1％～3％的铁制成。
本发明的一种铌硅铁合金发动机零件的制备方法按以下步骤进行：一、按原子百分比分别称取77％～96％质量纯度≥99.9％的铌粉、3％～20％质量纯度≥99.0％的硅粉和1％～3％质量纯度≥99.5％的铁粉混匀，然后采用机械合金化法制备出复合粉末；二、先计算出铌硅铁合金的密度ρ和所要制备的发机零件的体积v，按照m＝ρv计算所需经步骤一制备的复合粉末的质量m，称取质量为m的复合粉末并将其再在室温和压力为200MPa～900MPa的条件下，采用钢模冷压制成相对密度为70％～80％的坯料；三、根据发动机零件的最终尺寸和形状设计加工分瓣石墨模具和石墨套筒，然后将分瓣石墨模具的型腔内壁用氮化硼润滑剂均匀涂覆，然后将经步骤二制备的坯料放入分瓣石墨模具型腔的上端，再将分瓣石墨模具用石墨套筒套住，组成待热压件；四、将待热压件置于真空热压烧结炉内，将真空室的真空度抽至10^-2Pa～10^-3Pa、真空热压烧结炉程序升温至热压温度为1400℃～1700℃保持5min～10min后，在上压头上施加50MPa～100MPa的压力将坯料压入石墨模具的型腔中，形成零件，最后随炉冷却至室温，即得到铌硅铁合金发动机零件。
所述步骤一中铌粉的粒度为20μm～60μm、硅粉的粒度为20μm～60μm、铁粉的粒度为1μm～10μm。
所述步骤一中机械合金化法制备复合粉末的步骤如下：将称量好的粉末混合物加入到采用不锈钢磨球的球磨罐中，球料质量比为15∶1，再加入占粉末混合物总质量10％的分析纯的无水乙醇，在质量纯度≥99.999％的氩气的保护下，以100rpm～300rpm的速度球磨20h～30h，干燥，制备出复合粉末。
所述步骤二中合金密度ρ的计算方法是：ρ＝1/(C_Nb/ρ_Nb+C_Si/ρ_Si+C_Fe/ρ_Fe)，其中：C_Nb，C_Si和C_Fe分别为合金中铌、硅和铁的质量百分含量；ρ_Nb、ρ_Si和ρ_Fe分别为铌、硅和铁的密度。
所述步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是：先以10℃/min～20℃/min的速度升温至800℃～1100℃，接着以10℃/min～15℃/min的速度升温至1300℃～1500℃保持30min～60min，再以10℃/min～15℃/min的速度升温至热压温度。
本发明的一种铌硅铁合金发动机零件在1300℃～1400℃的工作温度下，其机械强度不受影响，因为构成发动机零件的材料铌硅铁合金的熔点≥2000℃，是一种理想的高温合金材料，能够满足发动机高温零件的使用要求，铌硅铁合金发动机零件的制备方法采用的是粉末挤压近终成形技术，一次成形为最终形状、不需要多次熔炼和热处理、后期的机加工少或无加工，工艺简单，成本低，制备过程中材料利用率高，没有机加工过程中造成的材料浪费，从而又进一步降低了成本。
附图说明
图1是具体实施方式四中是热压前坯料放置示意图，图2是具体实施方式四中热压后成形的发动机零件示意图。图1中的附图标记1是压头，2是分瓣式石墨模具，3是坯料，4是型腔，5是石墨套筒；图2中的附图标记1是压头，2是分瓣式石墨模具，5是石墨套筒，6是发动机零件。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的铌硅铁合金发动机零件的材质是铌硅铁合金，其中铌硅铁合金按原子百分比由77％～96％的铌、3％～20％硅和1％～3％的铁制成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：铌硅铁合金按原子百分比由82.5％～90.5％的铌、8％～15％的硅和1.5％～2.5％的铁制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：铌硅铁合金按原子百分比由85％的铌、13％的硅和2％的铁制成。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式所得的铌硅铁合金发动机零件在1300℃的工作温度下，机械性能不受影响，发动机零件的材料铌硅铁合金的熔点为2100℃，密度为7g/cm³，能满足发动机高温零件的需要。
具体实施方式四：(参见附图1和图2)本实施方式的铌硅铁合金发动机零件的制备方法按以下步骤进行：一、按原子百分比分别称取77％～96％质量纯度≥99.9％的铌粉、3％～20％质量纯度≥99.0％的硅粉和1％～3％质量纯度≥99.5％的铁粉混匀，然后采用机械合金化法制备出复合粉末；二、先计算出铌硅铁合金的密度ρ和所要制备的发机零件的体积v，按照m＝ρv计算所需经步骤一制备的复合粉末的质量m，称取质量为m的复合粉末并将其再在室温和压力为200MPa～900MPa的条件下，采用钢模冷压制成相对密度为70％～80％的坯料3；三、根据发动机零件的最终尺寸和形状设计加工分瓣石墨模具2和石墨套筒5，将分瓣式石墨模具2的型腔4的内壁用氮化硼润滑剂均匀涂覆，然后将经步骤二制备的坯料3放入分瓣石墨模具2的型腔4的上端，再将分瓣石墨模具2用石墨套筒5套住，组成待热压件；四、将待热压件置于真空热压烧结炉内，将真空室的真空度抽至10^-2Pa～10^-3Pa、真空热压烧结炉程序升温至热压温度为1400℃～1700℃保持5min～10min后，在上压头1上施加50MPa～100MPa的压力将坯料3压入石墨模具2的型腔4中，形成发动机零件6，最后随炉冷却至室温，即得到铌硅铁合金发动机零件。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中铌粉的粒度为20μm～60μm、硅粉的粒度为20μm～60μm、铁粉的粒度为1μm～10μm。其它参数和步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤一中机械合金化法制备复合粉末的步骤如下：将称量好并混匀的铌粉、硅粉和铁粉加入到采用不锈刚磨球的球磨罐中，球料质量比为15∶1，再加入占粉末混合物总质量10％的分析纯的无水乙醇，在质量纯度≥99.999％的氩气的保护下，以100rpm～300rpm的速度球磨20h～30h，干燥，制备出复合粉末。其它参数和步骤与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六不同的是：步骤二中合金的密度计算方法：ρ＝1/(C_Nb/ρ_Nb+C_Si/ρ_Si+C_Fe/ρ_Fe)，其中：C_Nb，C_Si和C_Fe分别为合金中铌、硅和铁的质量百分含量；ρ_Nb、ρ_Si和ρ_Fe分别为铌、硅和铁的密度。其它参数和步骤与具体实施方式四至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七不同的是：本实施方式所述步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是：先以10℃/min～20℃/min的速度升温至800℃～1100℃，接着以10℃/min～15℃/min的速度升温至1300℃～1500℃保持30min～60min，再以10℃/min～15℃/min的速度升温至热压温度。其它参数和步骤与具体实施方式四至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八不同的是：步骤一中按原子百分比分别称取82.5％～90.5％质量纯度≥99.9％的铌粉、8％～15％质量纯度≥99.0％的硅粉和1.5％～2.5％质量纯度≥99.5％的铁粉。其它参数和步骤与具体实施方式四至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九不同的是：步骤一中按原子百分比分别称取85％质量纯度≥99.9％的铌粉、13％质量纯度≥99.0％的硅粉和2％质量纯度≥99.5％的铁粉。其它参数和步骤与具体实施方式四至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四至十不同的是：步骤二中的压力为300MPa～800MPa。其它参数和步骤与具体实施方式四至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式四至十一不同的是：步骤二中的压力为500MPa。其它参数和步骤与具体实施方式四至十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式四至十二不同的是：步骤四中真空室的真空度为2×10^-3Pa～8×10^-3Pa。其它参数和步骤与具体实施方式四至十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式四至十三不同的是：步骤四中真空室的真空度为5×10^-3Pa。其它参数与步骤与具体实施方式四至十三相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式四至十四不同的是：步骤四中烧结炉的温度升至1500℃～1600℃。其它参数与步骤与具体实施方式四至十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式四至十五不同的是：步骤四中烧结炉的温度升至1550℃。其它参数与步骤与具体实施方式四至十五相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式四至十六不同的是：步骤四中的压力为60MPa～90MPa。其它参数与步骤与具体实施方式四至十六相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式四至十七不同的是：步骤四中的压力为75MPa。其它参数与步骤与具体实施方式四至十七相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式四至十八不同的是：步骤一中铌粉的粒度为30μm～50μm、硅粉的粒度为30μm～50μm、铁粉的粒度为3μm～7μm。其它参数与步骤与具体实施方式四至十八相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式四至十九不同的是：步骤一中铌粉的粒度为40μm、硅粉的粒度为40μm、铁粉的粒度为5μm。其它参数与步骤与具体实施方式四至十九相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式四至二十不同的是：步骤一中机械合金化法制备复合粉末时的球磨速度为150rpm～250rpm、球磨时间为22h～28h。其它参数与步骤与具体实施方式四至二十相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式四至二十一不同的是：步骤一中机械合金化法制备复合粉末时的球磨速度为200rpm、球磨时间为25h。其它参数与步骤与具体实施方式四至二十一相同。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式四至二十二不同的是：步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是：先以12℃/min～18℃/min的速度升温至900℃～1000℃，接着以11℃/min～14℃/min的速度升温至1200℃～1400℃保持40min～50min，再以11℃/min～14℃/min的速度升温至热压温度。其它参数与步骤与具体实施方式四至二十二相同。
具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式四至二十三不同的是：步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是：先以15℃/min的速度升温至950℃，接着以12.5℃/min的速度升温至1300℃保持45min，再以12.5℃/min的速度升温至热压温度。其它参数与步骤与具体实施方式四至二十三相同。
具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中按原子百分比分别称取81％质量纯度≥99.9％粒度为40μm的铌粉、16％质量纯度≥99.0％的粒度为40μm硅粉和3％质量纯度≥99.5％粒度为5μm的铁粉混匀，然后加入到采用不锈刚磨球的球磨罐中，球料质量比为15∶1，再加入占粉末混合物总质量10％的分析纯的无水乙醇，在质量纯度≥99.999％的氩气的保护下，以250rpm的速度球磨24h，干燥，制备出复合粉末；步骤二中冷压制备坯料的压力为700MPa；步骤四中真空热压烧结炉的真空度为10^-3Pa、热压温度为1600℃，压力为80MPa；步骤四中真空热压烧结炉程序升温的形式是：先以10℃/min的速度升温至1000℃，接着以15℃/min的速度升温至1400℃保持40min，再以10℃的速度升温至热压温度。其它参数与步骤与具体实施方式一相同。
本实施方式的铌硅钢铁皮合金发动机零件的制备方法，一次成形为最终形状、加工少、材料利用率为97％，工艺简单、成本低。