Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物制造技术

本发明专利技术公开了一种Ｆｅ改性ＮｉＡｌ－Ｃｒ（Ｍｏ）多相共晶新型结构金属间化合物，其由纯度９９．９９９％的镍（Ｎｉ）、纯度９９．９９９％的铝（Ａｌ）、纯度９９．９９９％的铬（Ｃｒ）、纯度９９．９９９％的钼（Ｍｏ）以及纯度９９．９９９％的铁（Ｆｅ）组成，成分范围为３３ａｔ％的Ｎｉ，３０ａｔ％的Ｃｒ，４ａｔ％的Ｍｏ，１～１７ａｔ％的Ｆｅ和余量的Ａｌ。通过在其共晶点附近的成分范围内适当降低Ａｌ元素含量并添加Ｆｅ元素对ＮｉＡｌ－Ｃｒ（Ｍｏ）双相合金进行了改性，通过Ｆｅ元素的固溶强化作用，以及在ＮｉＡｌ－Ｃｒ（Ｍｏ）两相组织的基础上引入适当的塑性第三相γ相和γ′相来进一步提高共晶合金的高温强度和室温韧、塑性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物。
技术介绍
目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高比强的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。更为迫切的是目前以Ni、Co基为代表的高温合金由于受到熔点的限制，已接近其使用的极限温度。即使是加入了大量贵金属的三代高温合金单晶，其使用温度也不超过1100℃。为满足新一代燃气涡轮发动机的需求，急需开发承温能力为1150℃的高温结构材料。B2结构长程有序NiAl的熔点高达1638℃，比镍基高温合金高300～350℃，使用温度可望达到1250℃；其密度(5.86g/cm3)仅为镍基高温合金的2/3，合金化后的密度也仅为6.0g/cm3左右，从而可有效地提高比强度，降低工件重量；NiAl的导热率大，为一般镍基高温合金的4～8倍，可使得热端部件的温度梯度减小，从而降低热应力，提高冷热疲劳性能；此外，NiAl还具有优异的抗氧化性能。当前，常温脆性和高温强度是限制其实用化的主要障碍。为解决NiAl金属间化合物的高温强度问题，美国GE公司发展了两种高强度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)，这两种合金具有良好的高温强度，优异的物理性能，AFN-12合金持久强度达到Rene80合金水平，但其密度仅为6.0g/cm3。AFN-20合金持久强度达到ReneN4合金水平，其密度仅为6.12g/cm3。这两个合金的蠕变强度和疲劳强度也都接近或等于Rene80和ReneN4合金水平。两合金的热导率优异，分别为Rene5合金的4倍和2倍。但是此两种合金的室温塑性几乎为0，断裂韧性也仅有4～5MPa·m1/2。原位自生复合材料技术是解决材料室温脆性和高温强度问题的有效途径之一。添加合金元素Cr、Mo、V、W等，可与NiAl形成伪二元共晶系，利用其内生的难熔金属相可使得强度提高、断裂韧性增加。共晶组织的层片状组织非常细小，层间距相距只有十分之几至几个微米，位错的平均自由程很小，在相与相之间的钉扎导致Hall-Petch型强化，例如，NiAl-15.5Ta共晶合金的蠕变强度达到了单晶高温合金NASAIR100的水平。另外，共晶合金中的塑性相与NiAl脆性相中的裂纹能够产生交互作用，直观的表现为裂纹桥接，裂纹偏转和裂纹钝化，使得NiAl伪共晶合金的韧性得到提高，如NiAl-Cr(Mo)共晶的断裂韧性为17～22MPa·m1/2，其抗冲击性能也好于AFN-12。在NiAl-Cr(Mo)共晶合金的基础上，进行进一步的成份设计和组织设计，是提高NiAl金属间化合物综合性能的有效途径。引入塑性第二相并通过塑性相变形也可以增加NiAl材料的塑性和韧性。在NiAl合金中加入Fe，Co，Cr，Cu，Mn等合金元素可使得γ/β两相结构稳定，达到一定含量后，产生无序的γ相。γ相分布于晶界上，能够协调相邻晶粒之间的形变，从而提高塑性。Ni一20Al-30Fe合金的室温拉伸塑性可达到22％，屈服强度达到850MPa，这种合金的挤压态中，γ与β晶粒之间具有特殊的取向关系，滑移可以穿过晶界，从而使塑性变形得以顺利进行。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，通过在NiAl-Cr(Mo)合金的基础上，在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Fe元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金的改性，通过Fe元素的固溶强化作用，以及在NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的塑性第三相γ相和γ′相来进一步提高共晶合金的高温强度和室温韧、塑性。开发出新型的低密度、高比强度的高温结构金属间化合物，减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，从而带来巨大的社会和经济效益以及满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。本专利技术是一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的铁(Fe)组成，成分范围为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)多相共晶新型结构金属间化合物，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)多相共晶新型结构金属间化合物，其密度为6.01～6.99g/cm3，室温屈服强度为1100～2100MPa。本专利技术Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物的优点在于适当降低Al元素含量并添加Fe元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Fe元素的固溶强化作用，以及在NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的塑性第三相γ相和γ′相来进一步提高共晶合金的高温强度和室温韧、塑性；该金属间化合物密度为6.01～6.99g/cm3，室温屈服强度为1100～2100MPa，较未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高20％～100％，较等原子比NiAl金属间化合物提高100％～200％。压缩塑性大于31％，较未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高20％，较等原子比NiAl金属间化合物提高200％。改性后合金的断裂韧性与NiAl-Cr(Mo)合金的韧性值相当，可达15～20MPa·m1/2，在600℃～800℃之间具有良好的力学性能，具有低密度、高强度的优点。与未改性的NiAl-Cr(Mo)合金相比优势是很明显的600℃、800℃下，未改性的NiAl-Cr(Mo)合金铸锭的压缩屈服强度分别为700MPa、500Mpa。而本项专利技术系列成分的合金之一Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe合金在600℃、800℃下的压缩屈服强度分别900MPa为600MPa，分别比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金高出29％和20％；在1150℃时的屈服强度达到90～100MPa。附图说明图1是Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe金属间化合物的不同温度下的压缩实验结果。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术是一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，是针对NiAl金属间化合物的室温脆性和高温强度问题，在NiAl双向共晶合金的基础上开发出一种Fe元素改性的新型高温高比强的多相共晶基合金，该合金能替代传统高温合金，减轻结构重量，降低能耗并带来巨大的社会和经济效益，以及进一步满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。本专利技术Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｆｅ改性ＮｉＡｌ－Ｃｒ（Ｍｏ）多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于：所述金属间化合物由纯度９９．９９９％的镍（Ｎｉ）、纯度９９．９９９％的铝（Ａｌ）、纯度９９．９９９％的铬（Ｃｒ）、纯度９９．９９９％的钼（Ｍｏ）以及纯度９９．９９９％的铁（Ｆｅ）组成，成分范围为３３ａｔ％的Ｎｉ，３０ａｔ％的Ｃｒ，４ａｔ％的Ｍｏ，１～１７ａｔ％的Ｆｅ和余量的Ａｌ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐惠彬，张志刚，宫声凯，汤林志，刘先斌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]