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CN114406284A - 一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金 - Google Patents

一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金 Download PDF

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CN114406284A
CN114406284A CN202210232311.5A CN202210232311A CN114406284A CN 114406284 A CN114406284 A CN 114406284A CN 202210232311 A CN202210232311 A CN 202210232311A CN 114406284 A CN114406284 A CN 114406284A
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Inventor
杨森
吴铖澄
王可凡
秦渊
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Nanjing University of Science and Technology
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Nanjing University of Science and Technology
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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Abstract

本发明涉及合金材料领域，提供了一种低密度高强度抗高温氧化的Mo‑Si‑B‑Ti合金，该合金由Mo、Si、B、Ti组成，其中，Si的含量为10～12％，B的含量为8～10％，Ti的含量为10～15％，余量为Mo；本发明通过合金成分设计实现了对现有的Mo‑Si‑B合金的强度和高温抗氧化性能的提高与密度的降低，所提供的合金材料由α‑Mo相、Mo5SiB2相和Mo3Si相组成，Ti固溶于Mo5SiB2相和Mo3Si相中，形成固溶强化，具备很高的强度和热稳定性，力学性能优异，在保留了现有的Mo‑Si‑B系材料高熔点、高强度的优点的同时，其密度有了一定的降低，并且高温抗氧化性能有了显著的提高，能满足现代工业中对材料轻量化和优异的高温性能的要求。

Description

一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金
技术领域
本发明属于合金领域，具体涉及一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金。
背景技术
随着科技的进步和工业的发展，高温现象在人们的工业生产生活中越来越普遍。在探索新的高温合金的过程中，钼基合金因其优异的性能进入人们的视线。Mo-Si-B合金具有高熔点、良好的高温强度和高温抗蠕变性能，因此具有取代镍基合金，成为新一代高温结构材料的潜力。
但是由于钼系合金的高钼含量，合金本身的密度值较大，且在高温环境下容易被氧化，合金中的Mo元素在氧化时会生成易挥发的MoO3。通常在Mo-Si-B合金体系中添加对氧亲和力较高的轻质合金元素来对其实现改性，起到保留其耐高温、高强度的特点的前提下，降低其密度、提高其高温抗氧化性性能的作用，以满足现代工业中对材料轻量化和更优异的高温性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于发挥Mo-Si-B合金耐高温、高强度的优势，解决其密度大，高温抗氧化性能较差的问题，加入合金元素Ti，提出了一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金材料。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现。
一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金，由钼(Mo)、硅(Si)、硼(B)、钛(Ti)四种元素组成，其中，硅的原子百分含量为10～12％，硼的原子百分含量为8～10％，钛的原子百分含量为10～15％，剩余量为钼；该合金由α-Mo相、Mo5SiB2相和Mo3Si相组成。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明设计的一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金，主要是通过在Mo-Si-B系合金中添加合金元素Ti得到的，该合金由α-Mo、Mo5SiB2和Mo3Si三相组成，Ti主要固溶于Mo5SiB2和Mo3Si相中，形成固溶强化，提高了合金的力学性能。
(2)合金的密度值在8.63g/cm3～8.82g/cm3之间，与现有的Mo-12Si-8B合金的密度9.43g/cm3相比，其密度值明显降低。
(2)合金在室温压缩的过程中表现出的抗压强度均大于2800MPa，高于现有的Mo-12Si-8B合金的2678MPa。
(3)合金在1100℃的氧化过程中呈现出良好的高温抗氧化性能，与现有的Mo-12Si-8B合金相比，在1100℃氧化10h后，氧化失重为Mo-12Si-8B合金的28.9％～45.6％，其抗氧化性能有了显著的提高。
附图说明
图1是实施例1和实施例2中Mo-12Si-8B-15Ti合金的的X射线衍射分析结果图。
图2是实施例1中Mo-12Si-8B-15Ti合金的扫描电子背散射照片。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被理解，下面通过具体的实施例来对本发明加以阐释。
实施例1
本实施例是一种Mo-12Si-8B-15Ti合金，由Mo、Si、B、Ti四种元素构成，Mo的相对原子百分比含量为65％，Si的相对原子百分比含量为12％，B的相对原子百分比含量为8％，Ti的相对原子百分比含量为15％。Mo-12Si-8B-15Ti合金由α-Mo、Mo5SiB2和Mo3Si三相组成，Ti主要固溶于Mo5SiB2和Mo3Si相中，如图1、2所示。
Mo、Si、Ti的粉末原料的纯度均高于99.9％。
B的粉末原料纯度高于99.95％。
Mo-12Si-8B-10Ti合金由激光增材制造技术制得，具体为：
(1)按照Mo-12Si-8B-15Ti(at％)的组分，称取纯度为99.9％、粒径为5～10μm的Mo粉、纯度为99.9％、粒径为10～15μm的Si粉、纯度为99.5％、粒径为2～10μm的B粉和纯度为99.9％、粒径为10～15μm的Ti粉进行配料。
(2)将称取好的放入球磨机中，球磨混合6h，得到混合均匀的粉末；球磨使用的球磨罐和磨球均为玛瑙材质；球料比为3:1，球磨机的转速为300r/min。将混合好的粉末放入60℃的真空干燥箱内干燥4h。
(3)采用304不锈钢作为基板，将混合均匀的粉末加入1wt％的PVA作为粘结剂调匀后，通过自制模具铺设于除锈除油后的金属基底上，真空干燥后形成1mm厚的预置层。
(4)使用光纤激光器加工系统，设定激光工艺参数：激光功率850W，扫描速度5mm/s，光斑直径2.65mm，搭接率30％。送惰性保护气体，气流量为15L/min。在氧含量低于1000ppm(0.1％)的环境中，激光辐照扫描经过预置层，通过原位反应合成所需产物，得到单层Mo-12Si-8B-15Ti合金。
(5)将得到的单层合金作为基体，重复步骤(3)和步骤(4)，多层熔覆后得到块体Mo-12Si-8B-15Ti合金。
对制备得到的Mo-12Si-8B-15Ti合金进行X射线衍射分析，分析结果如图1所示，从图1可以看出，得到的产物由α-Mo相、Mo5SiB2相和Mo3Si相组成。
图2为根据前述实施例所制得的Mo-12Si-8B-15Ti合金的扫描电子背散射照片，图2所示的显微组织进一步说明了得到的Mo-12Si-8B-15Ti合金是由α-Mo相、Mo5SiB2相和Mo3Si相组成的，且Ti元素主要固溶于Mo5SiB2相和Mo3Si相中。
测量了Mo-12Si-8B-15Ti合金的密度，其值为8.63g/cm3，与现有的Mo-12Si-8B合金的密度值9.43g/cm3相比，降低了8.4％。
测试了Mo-12Si-8B-15Ti合金在1100℃的高温抗氧化性能。合金在10h的高温氧化后最终氧化失重为现有的Mo-12Si-8B合金的28.9％，其抗氧化性能有了明显的提高。
对Mo-12Si-8B-15Ti进行室温压缩力学性能测试，抗压强度可达2984MPa。
实施例2
本实施例是一种Mo-12Si-8B-10Ti合金，由Mo、Si、B、Ti四种元素构成，Mo的相对原子百分比含量为70％，Si的相对原子百分比含量为12％，B的相对原子百分比含量为8％，Ti的相对原子百分比含量为10％。Mo-12Si-8B-10Ti合金由α-Mo、Mo5SiB2和Mo3Si三相组成，Ti主要固溶于Mo5SiB2和Mo3Si相中。
Mo、Si、Ti的粉末原料的纯度均高于99.9％。
B的粉末原料纯度高于99.95％。
Mo-12Si-8B-10Ti合金由激光增材制造技术制得，具体为：
(1)按照Mo-12Si-8B-10Ti(at％)的组分，称取纯度为99.9％、粒径为5～10μm的Mo粉、纯度为99.9％、粒径为10～15μm的Si粉、纯度为99.5％、粒径为2～10μm的B粉和纯度为99.9％、粒径为10～15μm的Ti粉进行配料。
(2)将称取好的放入球磨机中，球磨混合6h，得到混合均匀的粉末；球磨使用的球磨罐和磨球均为玛瑙材质；球料比为3:1，球磨机的转速为300r/min。将混合好的粉末放入60℃的真空干燥箱内干燥4h。
(3)采用304不锈钢作为基板，将混合均匀的粉末加入1wt％的PVA作为粘结剂调匀后，通过自制模具铺设于除锈除油后的金属基底上，真空干燥后形成1mm厚的预置层。
(4)使用光纤激光器加工系统，设定激光工艺参数：激光功率900W，扫描速度5mm/s，光斑直径2.65mm，搭接率30％。送惰性保护气体，气流量为15L/min。在氧含量低于1000ppm(0.1％)的环境中，激光辐照扫描经过预置层，通过原位反应合成所需产物，得到单层Mo-12Si-8B-10Ti合金。
(5)将得到的单层合金作为基体，重复步骤(3)和步骤(4)，多层熔覆后得到块体Mo-12Si-8B-10Ti合金。
测量了Mo-12Si-8B-15Ti合金的密度，其值为8.82g/cm3，与现有的Mo-12Si-8B合金的密度值9.43g/cm3相比，降低了6.4％。
测试了Mo-12Si-8B-15Ti合金在1100℃的高温抗氧化性能。合金在10h的高温氧化后最终氧化失重为现有的Mo-12Si-8B合金的45.6％，其抗氧化性能有了明显的提高。
对Mo-12Si-8B-10Ti进行室温压缩力学性能测试，实验表明，抗压强度可达2892MPa。
以上是有关本发明的较佳实施例的说明。在此，需要说明的一点是，本发明并不局限于以上实施例，在满足权利要求书、发明内容以及附图等范围要求的情况下，可以对本发明所作的任何修改、同等替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金，其特征在于：由钼、硅、硼、钛四种元素组成，其中，硅的原子百分含量为10～12％，硼的原子百分含量为8～10％，钛的原子百分含量10～15％，剩余量为钼。
2.如权利要求1所述的低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金，其特征在于：在制备所述高强度抗高温氧化合金时，所选用的Mo、Si、B、Ti的原材料纯度不小于99％。
3.如权利要求1所述的低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金，其特征在于：所选用的Mo粉粒径为5～10μm，Si粉粒径为10～30μm，B的粒径为2～10μm，Ti粉粒径为10～15μm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金的制备方法，其特征在于，由如下步骤制备：
(1)将Mo、Si、B、Ti粉末按比例称取后进行室温球磨混合，后在真空干燥箱中加热至60℃进行干燥处理6h。
(2)然后将干燥后的混合粉末通过粘结剂预置于304不锈钢基板上形成预置粘结层，通过激光加工系统进行加工，经过多层熔覆后得到高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金。制备环境为氧含量低于1000ppm(0.1％)的氩气保护箱内，激光工艺参数为：激光功率800～900W，扫描速度4～6mm/s，光斑直径2～3mm，搭接率25～40％，制备时通氩气保护。
5.如权利要求4所述的低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金的制备方法，其特征在于，球磨混粉时，球料比为3:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为6h。
6.如权利要求4所述的低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金的制备方法，其特征在于，制备环境为氧含量低于1000ppm的氩气保护箱内。
7.如权利要求4所述的低密度高强度抗高温氧化的Mo-Si-B-Ti合金的制备方法，其特征在于，激光工艺参数为：激光功率800～900W，扫描速度4～6mm/s，光斑直径2～3mm，搭接率25～40％，制备时通氩气保护。
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