一种Ni‑Al‑RE三元共晶合金及其制备方法技术

技术编号:17026144 阅读:32 留言:0更新日期:2018-01-13 15:42
本发明专利技术提供一种Ni‑Al‑RE三元共晶合金及其制备方法,所述合金由下列重量百分含量的元素组成:铝Al为2.50~19.50%,稀土RE为1.30~20.0%,其它杂质元素含量≤0.10%,其余为镍Ni,该合金的微观组织是完全共晶的形式,密度为6.8~7.1g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种Ni-Al-RE三元共晶合金及其制备方法
本专利技术涉及新材料成分设计与制备领域,具体地,涉及一种Ni-Al-RE三元共晶合金的成分及制备方法。
技术介绍
稀土一直是我国重要的战略性资源,我国稀土的整体储量和生产量都位居世界首位。随着稀土产业的不断发展,我国的稀土产业链形已经初具规模,但是仍然面临着“大而不强”的问题。稀土产业自身问题较为突出,其中产能过剩和下游产业较弱是所面临的两个主要问题。近几年来,众多科研院所都在致力于如何开发含稀土的新材料,确实也取得了不少成果,如稀土在镁合金、铝合金中的成功应用。然而,为了尽快化解稀土产业面临的问题,还需要进一步开发含稀土的新材料。镍基合金在航空航天、能源等领域的应用起到了非常关键的应用,但是在镍基合金中添加稀土元素的尝试却没有太多进展,如果能将稀土大量的添加到镍基合金中,形成满足特殊功能的新材料,势必会进一步的减缓稀土产业面临的危机。为了使稀土能够大量的运用到镍基合金中,需要根据预定方向进行合理的成分设计,对制备工艺进行严格控制,以保证得到的新材料满足预期,并能够进行后续开发,最终推动稀土在镍基合金中的应用。如何能将稀土大量运用于镍基合金中,形成功能性或者性能更强打的新材料,是目前突破稀土产业下游瓶颈的一个切入点。为了给稀土镍基合金的开发提供更多的基础研究数据,有必要开发新型的含大量稀土镍基合金材料及其制备工艺。经检索,公开号为CN106521244A的中国专利申请,其公开了一种稀土改性的高Mo的Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法,该合金的成分包括Ni、Al、Mo、Re、Ta、Cr、C、Y和Dy或Ce,合金铸态组织包括γ′相、γ相和富Mo、Re的白色析出相三种相结构,密度为7.9~8.1g/cm3,该合金在1100℃下达到完全抗氧化级别或抗氧化级别或次抗氧化级别。所述方法包括制备液态金属冷却介质、制备母合金棒材、制备不含稀土元素的Ni3Al基单晶合金籽晶、定向单晶炉制备含稀土元素的高Mo的Ni3Al基单晶高温合金和后期热处理。该专利技术提出的Ni3Al基单晶高温合金的密度较低,可以满足航空发动机的低密度要求;合金在1100℃下抗氧化性能达到完全抗氧化级别或抗氧化级别或次抗氧化级别。但是上述专利成分复杂,且采用制备单晶的生产方法,制备工艺复杂,缺陷不易控制,成本较高。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷,本专利技术的目的是提供一种以Ni为主元素,包含Al和一种稀土元素(RE)的高硬度Ni-Al-RE三元共晶合金及其制备方法,解决稀土在镍基合金中应用困难的问题。根据本专利技术的一个方面,提供一种Ni-Al-RE三元共晶合金,由下列重量百分含量的元素组成:铝Al为2.50~19.50%,稀土RE为1.30~20.0%,其它杂质元素含量≤0.10%,其余为镍Ni,该合金的微观组织是完全共晶的形式。优选地,所述Ni-Al-RE三元共晶合金,其共晶形态为细片层状。更优选地,所述细片层状,其中片层间距在0.1~0.9微米范围内。优选地,所述铝Al的重量百分含量为3.50~15.00%。优选地,所述稀土RE的重量百分含量为4.50~10.00%。本专利技术上述Ni-Al-RE三元共晶合金,维氏硬度可以达到650HV,高于普通的二元Ni-Al合金。物理性质方面,本专利技术提供的材料密度为6.8~7.1g/cm3,比
技术介绍
中的专利提供的材料更低。微观组织方面,本专利技术是一种具有细小片层共晶组织的合金材料,使得材料在后续定向性能的开发比现有材料更具优势。根据本专利技术的另一个方面,提供一种Ni-Al-RE三元共晶合金的制备方法,包括:按照比例配制合金原材料,放入真空感应熔炼炉中,抽真空保证真空度达到10-5Pa,升高功率保证合金原材料完全熔化,将熔化的合金熔液浇铸到铸铁模具中得到合金铸锭。优选地,所述原材料,采用重量百分含量为99.99%的铝锭、99.9%的稀土和99.99%的镍块。优选地,所述真空感应熔炼炉中设置镁砂坩埚,所述原材料盛装在镁砂坩埚中。优选地,所述升高功率保证原材料完全熔化,是指:逐步增加中频感应炉的功率,特别关注铝的熔化情况,等到铝开始熔化时,不要再增加功率,利用铝和其它两种原料之间的反应,将整个合金料熔化。优选地,所述将熔化的合金熔液浇铸到铸铁模具中,是指:等原材料全部熔化后,再提高功率,保证浇铸时合金流动性较好,然后浇铸到预热到150-250℃的铸铁模具中,等合金熔液冷却后,取出铸锭,得到三元合金。根据本专利技术的第三方面,提供Ni-Al-RE三元共晶合金的制备方法的另一种制备方法,包括:按照比例配制合金原材料,置于非自耗真空电弧炉水冷铜坩埚中,将非自耗真空电弧炉内真空抽至10-5Pa以下;然后开始充入氩气,直至真空压力表显示相对压强为-0.03~-0.06Pa时停止充氩气;利用钨极电弧枪与合金原材料起弧,增加电流,将合金原材料熔化;反复翻转熔化多次后,放于非自耗真空电弧炉中,利用水冷铜坩埚使其冷却,取出得到三元合金。与现有技术相比,本专利技术具有如下的有益效果:1、本专利技术所设计的Ni-Al-RE三元合金具有完全共晶组织,并且共晶片层非常细小,片层间距在0.1~0.9微米之间,这为该合金进一步开发提供基础,可以将该合金应用到其它凝固工艺中进行生产,如采用定向凝固工艺,可以开发组织细小的定向合金,使合金单一方向的力学性能进一步提升。2、本专利技术所述材料微观组织中的共晶相具有很高的硬度,因此材料整体硬度较高,该合金的硬度比纯二元Ni-Al合金高出一倍。3、本专利技术合金的制备方法简单高效,无需二次加料,一次冶炼可以得到所需合金,并且成分范围较宽,有利于工业化应用。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术,但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本专利技术构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术所述的Ni-Al-RE三元共晶合金,由下列重量百分含量的元素组成:铝Al为2.50~19.50%,稀土RE为1.30~20.0%,其它杂质元素含量≤0.10%,其余为镍Ni,该合金的微观组织是完全共晶的形式,密度为6.8~7.1g/cm3。优选地,所述铝Al的重量百分含量为3.50~15.00%;所述稀土RE的重量百分含量为4.50~10.00%;或者,也可以是所述铝Al的重量百分含量为9.50~12.50%,所述稀土RE的重量百分含量为4.50~8.50%。这些成分只要在上述配比范围内选择,均可以实现本专利技术的目的。在合金的设计中,可以采用OpenCalphad相图计算软件和已知的Ni-Al-RE三元系液相面投影图,设计可能得到共晶组成的三元合金成分。由于稀土元素具有相似的物理化学性质,所以本专利技术设计的Ni-Al-RE三元合金具有普遍性,RE可以被多种稀土元素替换,即RE可以是稀土元素中的任一种或多种。上述Ni-Al-RE三元共晶合金制备如下:按成分配比配制成所需原料,放在中频真空感应熔炉中,盛装在镁砂坩埚中;开罗茨泵、扩散泵将真空抽至10-5Pa以下,逐步增加中频感应炉的功率,特别关注铝的熔化情况,等到铝开始熔化时,不要再增加功率,利用铝和其它两种原料之间的反应,将整个合本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种Ni‑Al‑RE三元共晶合金,其特征在于:由下列重量百分含量的元素组成:铝Al为2.50~19.50%,稀土RE为1.30~20.0%,其它杂质元素含量≤0.10%,其余为镍Ni,该合金的微观组织是完全共晶的形式。

【技术特征摘要】
1.一种Ni-Al-RE三元共晶合金,其特征在于:由下列重量百分含量的元素组成:铝Al为2.50~19.50%,稀土RE为1.30~20.0%,其它杂质元素含量≤0.10%,其余为镍Ni,该合金的微观组织是完全共晶的形式。2.根据权利要求1所述的Ni-Al-RE三元共晶合金,其特征在于:所述Ni-Al-RE三元共晶合金,其共晶形态为细片层状。3.根据权利要求2所述的Ni-Al-RE三元共晶合金,其特征在于:所述细片层状,其中片层间距在0.1~0.9微米范围内。4.根据权利要求1-3任一项所述的Ni-Al-RE三元共晶合金,其特征在于:所述Ni-Al-RE三元共晶合金,其具有以下至少一个特征:——所述铝Al的重量百分含量为3.50~15.00%;——所述稀土RE的重量百分含量为4.50~10.00%;——所述Ni-Al-RE三元共晶合金,密度为6.8~7.1g/cm3。5.一种权利要求1-4任一项所述Ni-Al-RE三元共晶合金的制备方法,其特征在于:包括:按照比例配制原材料,放入真空感应熔炼炉中,抽真空保证真空度达到10-5Pa,升高功率保证原材料完全熔化,将熔化的合金熔液浇铸到铸铁模具中得到合金铸锭。6.根据权利要求5所述Ni-Al-RE三元共晶合金的制备方法,其特征在于:所述真空感应熔炼炉中设置镁砂坩埚,所述原材料盛...

【专利技术属性】
技术研发人员:王俊吴贇高海燕何树先康茂东刘雅辉
申请(专利权)人:上海交通大学江苏中超航宇精铸科技有限公司
类型:发明
国别省市:上海,31

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