專利名稱：Fe改性NiAl－Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物。
背景技術(shù)：
目前，在動(dòng)力、石化、運(yùn)輸、特別是航空及航天等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在600℃以上的金屬結(jié)構(gòu)材料通常為鎳基、鐵基和鈷基高溫合金。這些材料具有較高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的構(gòu)件和設(shè)備重量大，為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，必須開發(fā)低密度、高比強(qiáng)的新型高溫合金以適應(yīng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的需要。更為迫切的是目前以Ni、Co基為代表的高溫合金由于受到熔點(diǎn)的限制，已接近其使用的極限溫度。即使是加入了大量貴金屬的三代高溫合金單晶，其使用溫度也不超過(guò)1100℃。為滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，急需開發(fā)承溫能力為1150℃的高溫結(jié)構(gòu)材料。
B2結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程有序NiAl的熔點(diǎn)高達(dá)1638℃，比鎳基高溫合金高300～350℃，使用溫度可望達(dá)到1250℃；其密度(5.86g/cm3)僅為鎳基高溫合金的2/3，合金化后的密度也僅為6.0g/cm3左右，從而可有效地提高比強(qiáng)度，降低工件重量；NiAl的導(dǎo)熱率大，為一般鎳基高溫合金的4～8倍，可使得熱端部件的溫度梯度減小，從而降低熱應(yīng)力，提高冷熱疲勞性能；此外，NiAl還具有優(yōu)異的抗氧化性能。當(dāng)前，常溫脆性和高溫強(qiáng)度是限制其實(shí)用化的主要障礙。
為解決NiAl金屬間化合物的高溫強(qiáng)度問(wèn)題，美國(guó)GE公司發(fā)展了兩種高強(qiáng)度NiAl合金AFN-12(Ni-48.45Al-0.5Hf-1.0Ti-0.05Ga)和AFN-20(Ni-44.45Al-0.5Hf-5.0Ti-0.05Ga)，這兩種合金具有良好的高溫強(qiáng)度，優(yōu)異的物理性能，AFN-12合金持久強(qiáng)度達(dá)到Rene80合金水平，但其密度僅為6.0g/cm3。AFN-20合金持久強(qiáng)度達(dá)到ReneN4合金水平，其密度僅為6.12g/cm3。這兩個(gè)合金的蠕變強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度也都接近或等于Rene80和ReneN4合金水平。兩合金的熱導(dǎo)率優(yōu)異，分別為Rene5合金的4倍和2倍。但是此兩種合金的室溫塑性幾乎為0，斷裂韌性也僅有4～5MPa·m1/2。
原位自生復(fù)合材料技術(shù)是解決材料室溫脆性和高溫強(qiáng)度問(wèn)題的有效途徑之一。添加合金元素Cr、Mo、V、W等，可與NiAl形成偽二元共晶系，利用其內(nèi)生的難熔金屬相可使得強(qiáng)度提高、斷裂韌性增加。共晶組織的層片狀組織非常細(xì)小，層間距相距只有十分之幾至幾個(gè)微米，位錯(cuò)的平均自由程很小，在相與相之間的釘扎導(dǎo)致Hall-Petch型強(qiáng)化，例如，NiAl-15.5Ta共晶合金的蠕變強(qiáng)度達(dá)到了單晶高溫合金NASAIR100的水平。另外，共晶合金中的塑性相與NiAl脆性相中的裂紋能夠產(chǎn)生交互作用，直觀的表現(xiàn)為裂紋橋接，裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋鈍化，使得NiAl偽共晶合金的韌性得到提高，如NiAl-Cr(Mo)共晶的斷裂韌性為17～22MPa·m1/2，其抗沖擊性能也好于AFN-12。在NiAl-Cr(Mo)共晶合金的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步的成份設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)，是提高NiAl金屬間化合物綜合性能的有效途徑。
引入塑性第二相并通過(guò)塑性相變形也可以增加NiAl材料的塑性和韌性。在NiAl合金中加入Fe，Co，Cr，Cu，Mn等合金元素可使得γ/β兩相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，達(dá)到一定含量后，產(chǎn)生無(wú)序的γ相。γ相分布于晶界上，能夠協(xié)調(diào)相鄰晶粒之間的形變，從而提高塑性。Ni一20Al-30Fe合金的室溫拉伸塑性可達(dá)到22％，屈服強(qiáng)度達(dá)到850MPa，這種合金的擠壓態(tài)中，γ與β晶粒之間具有特殊的取向關(guān)系，滑移可以穿過(guò)晶界，從而使塑性變形得以順利進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，通過(guò)在NiAl-Cr(Mo)合金的基礎(chǔ)上，在其共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量并添加Fe元素對(duì)NiAl-Cr(Mo)雙相合金的改性，通過(guò)Fe元素的固溶強(qiáng)化作用，以及在NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)乃苄缘谌唳孟嗪挺谩湎鄟?lái)進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度和室溫韌、塑性。開發(fā)出新型的低密度、高比強(qiáng)度的高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，從而帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益以及滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力1150℃的要求。
本發(fā)明是一種Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，由純度99.999％的鎳(Ni)、純度99.999％的鋁(Al)、純度99.999％的鉻(Cr)、純度99.999％的鉬(Mo)以及純度99.999％的鐵(Fe)組成，成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，1～17at％的Fe和余量的Al。
所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，可以是Ni-27Al-30Cr-4Mo-6Fe或Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe或Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Fe或Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe。
所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其密度為6.01～6.99g/cm3，室溫屈服強(qiáng)度為1100～2100MPa。
本發(fā)明Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物的優(yōu)點(diǎn)在于適當(dāng)降低Al元素含量并添加Fe元素對(duì)NiAl-Cr(Mo)雙相合金進(jìn)行了改性，通過(guò)Fe元素的固溶強(qiáng)化作用，以及在NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)乃苄缘谌唳孟嗪挺谩湎鄟?lái)進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度和室溫韌、塑性；該金屬間化合物密度為6.01～6.99g/cm3，室溫屈服強(qiáng)度為1100～2100MPa，較未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高20％～100％，較等原子比NiAl金屬間化合物提高100％～200％。壓縮塑性大于31％，較未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高20％，較等原子比NiAl金屬間化合物提高200％。改性后合金的斷裂韌性與NiAl-Cr(Mo)合金的韌性值相當(dāng)，可達(dá)15～20MPa·m1/2，在600℃～800℃之間具有良好的力學(xué)性能，具有低密度、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。與未改性的NiAl-Cr(Mo)合金相比優(yōu)勢(shì)是很明顯的600℃、800℃下，未改性的NiAl-Cr(Mo)合金鑄錠的壓縮屈服強(qiáng)度分別為700MPa、500Mpa。而本項(xiàng)發(fā)明系列成分的合金之一Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe合金在600℃、800℃下的壓縮屈服強(qiáng)度分別900MPa為600MPa，分別比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金高出29％和20％；在1150℃時(shí)的屈服強(qiáng)度達(dá)到90～100MPa。


圖1是Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe金屬間化合物的不同溫度下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，是針對(duì)NiAl金屬間化合物的室溫脆性和高溫強(qiáng)度問(wèn)題，在NiAl雙向共晶合金的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種Fe元素改性的新型高溫高比強(qiáng)的多相共晶基合金，該合金能替代傳統(tǒng)高溫合金，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低能耗并帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，以及進(jìn)一步滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力1150℃的要求。
本發(fā)明Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，所需原料由純度99.999％的鎳(Ni)、純度99.999％的鋁(Al)、純度99.999％的鉻(Cr)、純度99.999％的鉬(Mo)以及純度99.999％的鐵(Fe)組成，成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，1～17at％的Fe和余量的Al。
在本發(fā)明中，F(xiàn)e原子百分比的較佳取值范圍為6～9。
本發(fā)明的金屬間化合物采用真空電弧熔煉法制備，該方法是將按比例稱取的原料放入非自耗真空電弧爐中熔煉鑄錠，真空度大于5×10-3Pa，熔煉溫度2500℃～3000℃，翻煉3～6次，原料熔煉均勻即可。其制備過(guò)程中，通過(guò)改變合金中鋁(Al)元素的含量并同時(shí)添加相應(yīng)含量的鐵(Fe)元素來(lái)控制合金的室溫和高溫力學(xué)性能。
將制得的金屬間化合物錠材進(jìn)行力學(xué)性能分析(一)采用線切割方法切取樣品進(jìn)行組份分析，通過(guò)精確測(cè)量樣品的質(zhì)量和體積，計(jì)算金屬間化合物的密度為6.01～6.99g/cm3，樣品為直徑6mm，長(zhǎng)度9mm的圓柱體。
(二)采用材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(MTS)進(jìn)行室溫(18℃)和高溫力學(xué)性能的測(cè)試其室溫屈服強(qiáng)度為1100～2100MPa，較未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高20％～100％，較等原子比NiAl合金提高100％～200％；壓縮塑性大于31％，較未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高20％，較等原子比NiAl金屬間化合物提高200％。
本發(fā)明金屬間化合物在600℃～800℃的高溫屈服強(qiáng)度分別為900MPa、600MPa，較未添加Fe元素的NiAl-Cr(Mo)合金提高了29％和20％。
采用Instrons設(shè)備進(jìn)行高溫1150℃力學(xué)性能的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)樣品為直徑6mm，長(zhǎng)度9mm的圓柱體；其屈服強(qiáng)度為90～100MPa。
(三)采用材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(MTS)進(jìn)行室溫(18℃)材料斷裂韌性的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)樣品為6mm×6mm×30mm的方柱體，測(cè)試時(shí)的應(yīng)變速率為0.02mm/min，斷裂韌性值為15～20MPa·m1/2。
本發(fā)明金屬間化合物通過(guò)在其共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量并添加Fe元素對(duì)NiAl-Cr(Mo)雙相合金進(jìn)行了改性，通過(guò)Fe元素的固溶強(qiáng)化作用，以及在NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)乃苄缘谌唳孟嗪挺谩湎鄟?lái)進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度和室溫韌、塑性。
本發(fā)明開發(fā)出一種新型的低密度、高比強(qiáng)度的金屬間化合物，可以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，從而帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益以及滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力1150℃的要求。
實(shí)施例1制Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe金屬間化合物按照名義成分為Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe(原子百分比)進(jìn)行配料，其原材料的純度均為99.999％。
采用非自耗真空電弧爐熔煉Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe合金鑄錠，真空度大于5×10-3Pa，熔煉溫度3000℃，翻煉4次，原料熔煉均勻即可。
將制得的金屬間化合物棒材采用高溫?zé)崽幚頎t在1200℃下保溫12小時(shí)后隨爐冷卻至室溫。
采用線切割方法從熱處理后的Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe錠材上切取直徑6mm，高度9mm的圓柱體樣品以及6mm×6mm×30mm的方柱體進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。
采用1111型精確度為10-4g的電子天平測(cè)量樣品的質(zhì)量M，使用精確度為10-2mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品的端面直徑D和長(zhǎng)度L，采用公式ρ＝4M×D-2×(πL)-1計(jì)算Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe金屬間化合物密度ρ(公式中π為圓周率)，其密度為6.42g/cm3。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1所示，采用MTS-880型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其室溫屈服強(qiáng)度為1900MPa，壓縮塑性大于31％；其200℃屈服強(qiáng)度為1700MPa，壓縮塑性大于36％；其400℃屈服強(qiáng)度為1300MPa，壓縮塑性大于40％；其600℃屈服強(qiáng)度為500MPa，壓縮塑性大于50％；其800℃屈服強(qiáng)度為300MPa，壓縮塑性大于50％；其1150℃屈服強(qiáng)度為95MPa，壓縮塑性大于50％。
實(shí)施例2制Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe金屬間化合物按照名義成分為Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe(原子百分比)進(jìn)行配料，其原材料的純度均為99.999％。
采用非自耗真空電弧爐熔煉Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe合金鑄錠，真空度大于5×10-3pa，熔煉溫度2700℃，翻煉6次，原料熔煉均勻即可。
將制得的金屬間化合物棒材采用高溫?zé)崽幚頎t在1200℃下保溫12小時(shí)后隨爐冷卻至室溫。
Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe金屬間化合物的力學(xué)性能測(cè)試條件與實(shí)施例1相同，其密度為6.99g/cm3；室溫屈服強(qiáng)度為2100MPa，壓縮塑性大于32％；600℃屈服強(qiáng)度為900MPa，壓縮塑性大于50％；800℃屈服強(qiáng)度為600MPa，壓縮塑性大于50％；1150℃屈服強(qiáng)度為100MPa，壓縮塑性大于50％。
下表為不同組份的金屬間化合物在熔煉溫度3000℃條件下的力學(xué)性能

本發(fā)明人通過(guò)在Ni-16～32Al-30Cr-4Mo-1～17Fe金屬間化合物共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量并添加Fe元素對(duì)NiAl-Cr(Mo)雙相合金進(jìn)行了改性，通過(guò)Fe元素的固溶強(qiáng)化作用，以及在NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)乃苄缘谌唳孟嗪挺谩湎鄟?lái)進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度和室溫韌、塑性。
權(quán)利要求
1.一種Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物由純度99.999％的鎳(Ni)、純度99.999％的鋁(Al)、純度99.999％的鉻(Cr)、純度99.999％的鉬(Mo)以及純度99.999％的鐵(Fe)組成，成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，1～17at％的Fe和余量的Al。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物的成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，5～11at％的Fe和余量的Al。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物的成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，6～9at％的Fe和余量的Al。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是Ni-27Al-30Cr-4Mo-6Fe。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Fe。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其特征在于金屬間化合物密度為6.01～6.99g/cm3，室溫屈服強(qiáng)度為1100～2100MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Fe改性NiAl－Cr(Mo)多相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，其由純度99.999％的鎳(Ni)、純度99.999％的鋁(Al)、純度99.999％的鉻(Cr)、純度99.999％的鉬(Mo)以及純度99.999％的鐵(Fe)組成，成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，1～17at％的Fe和余量的Al。通過(guò)在其共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量并添加Fe元素對(duì)NiAl－Cr(Mo)雙相合金進(jìn)行了改性，通過(guò)Fe元素的固溶強(qiáng)化作用，以及在NiAl－Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)乃苄缘谌唳孟嗪挺谩湎鄟?lái)進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度和室溫韌、塑性。
文檔編號(hào)C22C30/00GK1970804SQ200610165120
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者徐惠彬, 張志剛, 宮聲凱, 湯林志, 劉先斌 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)