一种Ni-Al-RE三元共晶合金及其制备方法技术

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...

【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