鈮基高溫合金及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高溫合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鈮基高溫合金及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]火花塞(spark plugs)與點(diǎn)火系統(tǒng)和供油系統(tǒng)配合使發(fā)動(dòng)機(jī)作功，在很大程度上共同決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的配件。火花塞的作用是將點(diǎn)火線圈產(chǎn)生的高壓電引入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)，在其電極間隙中形成高能電火花，點(diǎn)燃?jí)嚎s的混合氣體，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作。火花塞電極是火花塞中重要的組成部件，是點(diǎn)火發(fā)生時(shí)主要的承載體，由于其工作條件極其惡劣，因此，火花塞電極材料的選擇需要耐高氣壓、耐高電壓、耐高溫以及能夠抵抗燃燒產(chǎn)物的強(qiáng)烈腐蝕。
[0003]目前，應(yīng)用最為普遍的火花塞電極材料為鎳基高溫合金。在通常情況下，純金屬的導(dǎo)熱性要好于合金，但是合金對(duì)于燃燒氣體以及燃燒形成的固狀沉積物的化學(xué)腐蝕抗性要比純金屬?gòu)?qiáng)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中通常向鎳中加入鉻、錳、硅等元素，通過(guò)電弧熔煉得到耐化學(xué)腐蝕、耐電壓腐蝕并且高溫強(qiáng)度較高的鎳基合金材料。其中鉻提高抗電蝕能力，錳和硅提高耐化學(xué)腐蝕能力，特別是提高對(duì)電極危害巨大的氧化硫的抗腐蝕能力。為了彌補(bǔ)鎳基合金導(dǎo)熱性的不足，通常還采用銅作為電極芯，將其外圍包裹以鎳基合金材料。采用這種復(fù)合電極材料的火花塞還有可能采用較長(zhǎng)的絕緣體裙部結(jié)構(gòu)，而較長(zhǎng)的絕緣體裙部在另一方面可以大大地提高火花塞的抗結(jié)污能力。然而，該電極材料存在一個(gè)缺點(diǎn)，即由于點(diǎn)火能量增大，中心電極容易發(fā)生燒蝕。
[0004]為了適應(yīng)大功率、高轉(zhuǎn)速、大壓縮比的現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，同時(shí)使火花塞具有更高的點(diǎn)火性能和使用壽命，人們開(kāi)始使用貴金屬，如鉑、銥、釔等，將其用于電極并相應(yīng)改進(jìn)發(fā)火端的結(jié)構(gòu)。由于貴金屬具有極高的熔點(diǎn)，例如，鉑金的熔點(diǎn)為2042K、銥金的熔點(diǎn)為2716K，因此，加入貴金屬元素提高了材料的抗化學(xué)腐蝕的能力。目前常用方法是將貴金屬材料制成直徑約0.2mm的細(xì)電極，直接燒結(jié)于絕緣體發(fā)火端中；另外，申請(qǐng)?zhí)枮?01280028188.X的中國(guó)專利文獻(xiàn)報(bào)道了一種用于火花塞的電極及其制造方法，將直徑為0.4?0.8mm的圓片用激光焊接于電極基底材料上。
[0005]貴金屬電極材料盡管在性能上比較優(yōu)異，但是其成本過(guò)于昂貴，從而制約了其作為火花塞電極材料的發(fā)展。另一方面，近年來(lái)對(duì)汽車尾氣排放的標(biāo)準(zhǔn)逐漸落實(shí)，并且針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)和發(fā)展也一直沒(méi)有停止。這些因素都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的設(shè)計(jì)，以及對(duì)火花塞電極材料提出了更新的、更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種鈮基高溫合金及其制備方法，該合金具有良好的抗高溫氧化性能和耐熱腐蝕性能；本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題還在于提供一種鈮基高溫合金在制備火花塞電極中的應(yīng)用。
[0007]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種鈮基高溫合金，以重量百分比計(jì)包括:
[0008]C 0.04 ?0.06%, Cr 19 ?21%，Mn 3 ~ 4%, W 3 ?4%，Mo 5 ?6%，Til ?2%,Al 0.5 ?2%，B 0.004 ?0.006%，Zr 0.03 ?0.05%，F(xiàn)e 0.7 ?0.9%，Si O ?3%，稀土元素0.2?2%，余量為鈮和不可避免的雜質(zhì)，所述稀土元素包括Sc、Y、Sm和Yb中的一種或多種。
[0009]優(yōu)選的，以重量百分比計(jì)，所述稀土元素為0.2?1%。
[0010]優(yōu)選的，以重量百分比計(jì)，所述Si為1.5?2.5%，所述稀土元素為0.5?0.8%。
[0011]優(yōu)選的，所述稀土元素還包括La、Ce、Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm 和 Lu 中的一種或多種。
[0012]優(yōu)選的，所述Sc、Y、Sm和Yb的重量比為I?5: I?5: I?5: I?5。
[0013]優(yōu)選的，以重量百分比計(jì)包括:
[0014]C 0.05%, Cr 20%, Mn 3%, W 3%, Mo 6%, Ti 1%, Al 1%, B 0.005%, Zr0.04%, Fe 0.8%, Si 2%, Sc 0.1%,Y 0.1 % , Sm 0.1 %, Yb 0.l%,La 0.l%,Ce 0.1%,余量為鈮和不可避免的雜質(zhì)。
[0015]優(yōu)選的，以重量百分比計(jì)包括:
[0016]C 0.05%, Cr 20%, Mn 3%, W 3%, Mo 6%, Ti 1%, Al 1%, B 0.005%, Zr0.04%, Fe 0.8%, Si 2%, Sc 0.04%, Y 0.04%, Sm 0.04%, Yb 0.04%,Pm 0.04%，余量為鈮和不可避免的雜質(zhì)。
[0017]相應(yīng)的，本發(fā)明還童工一種上述鈮基高溫合金的制備方法，包括以下步驟:
[0018]將C、Cr、Mn、W、Mo、T1、Al、B、Zr、Fe、S1、稀土元素和鈮混合，在真空電弧熔煉爐中熔煉，取出成型，翻面后再次熔煉，重復(fù)至少三次，得到鑄錠；
[0019]將鑄錠加熱至1300°C保溫固溶處理5h，空冷；
[0020]在800°C下保溫時(shí)效處理10h，空冷后得到鈮基高溫合金。
[0021]優(yōu)選的，所述真空電弧熔煉爐為WK-3B非自耗真空電弧爐，熔煉在氬氣氛圍下進(jìn)行。
[0022]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種上述鈮基高溫合金在制備火花塞電極中的應(yīng)用。
[0023]本發(fā)明提供了一種鈮基高溫合金及其制備方法，包括:C，Cr，Mn，W，Mo，Ti，Al，B，Zr，F(xiàn)e，Si，稀土元素，余量為銀和不可避免的雜質(zhì)，所述稀土元素為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的一種或多種。鈮的熔點(diǎn)約2469°C，鈮的密度只有8.57g/cm3，因此鈮基高溫合金是一種具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)的新型高溫合金材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的鈮基高溫合金為含鉻、含釔鈮基合金，一方面，鉻和鈮與氧都有很好的親和力，在氧化時(shí)可以形成一層致密的氧化薄膜，而該氧化薄膜與基底結(jié)合牢固，可以阻止合金的進(jìn)一步氧化；混合的鉻-鈮氧化物(Nb205-Cr203)，相比兩種單獨(dú)的氧化物具有更高的穩(wěn)定性，更難與熔融鹽反應(yīng)，從而提高了合金的抗熱腐蝕性能；另外，合金中添加的少量稀土元素釔，可以提高氧化薄膜與基底的粘附性，細(xì)化氧化物晶粒，與硅協(xié)同作用，填充氧化物晶界，減少氧化物之間的孔洞，降低Nb粒子向外擴(kuò)散的速度，從而進(jìn)一步減緩了合金的腐蝕速度。另一方面，其他稀土元素如鈧、釤、鐿的加入進(jìn)一步改善了鈮基高溫合金的抗腐蝕性能以及高溫機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明制備的鈮基高溫合金具有良好的抗高溫氧化性能和耐熱腐蝕性能。
[0024]本發(fā)明還提供一種上述制備的鈮基高溫合金在制備火花塞電極中的應(yīng)用。將本發(fā)明制備的銀基尚溫合金用于火花塞電極材料，可以明顯提尚火花塞電極的壽命，從而提尚火花塞的使用壽命，降低因頻繁更換火花塞而引起的消耗，節(jié)約能源。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例制備的N0.UN0.2,N0.3鈮基高溫合金在800°C氧化10h靜態(tài)空氣中的氧化動(dòng)力學(xué)曲線，縱坐標(biāo)為增重，橫坐標(biāo)為時(shí)間；
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例制備的N0.1、N0.2、N0.3鈮基高溫合金在800 °C NaCl和Na2SO4(I: 3)混合鹽環(huán)境下的氧化動(dòng)力學(xué)曲線，縱坐標(biāo)為增重，橫坐標(biāo)為時(shí)間；
[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例制備的N0.K N0.2, N0.3鈮基高溫合金在700°C下高溫抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，縱坐標(biāo)為應(yīng)力，橫坐標(biāo)為應(yīng)變。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0029]本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種鈮基高溫合金，以重量百分比計(jì)包括:
[0030]C 0.04 ?0.06%, Cr 19 ?21%，Mn 3 ~ 4%, W 3 ?4%，Mo 5 ?6%，Til ?2%,Al 0.5 ?2%，B 0.004 ?0.006%，Zr 0.03 ?0.05%，F(xiàn)e 0.7 ?0.9%，Si O ?3%，稀土元素0.2?2%，余量為鈮和不可避免的雜質(zhì)，所述稀土元素包括Sc、Y、Sm和Yb中的一種或多種。
[0031]本發(fā)明提供的鈮基高溫合金，相較于傳統(tǒng)的鎳基合金而言，鈮的熔點(diǎn)為2469°C，比鎳的熔點(diǎn)高大約700°C，而且鈮的密度只有8.57g/cm3，要小于其它的耐熱金屬材料如鉬、鎢、鉭，并且鈮的價(jià)格要遠(yuǎn)低于鉭等材料，因此鈮基高溫合金是一種非常具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)的新型高溫合金材料。<