CN100406600C - Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物 - Google Patents
Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100406600C CN100406600C CNB2006101651202A CN200610165120A CN100406600C CN 100406600 C CN100406600 C CN 100406600C CN B2006101651202 A CNB2006101651202 A CN B2006101651202A CN 200610165120 A CN200610165120 A CN 200610165120A CN 100406600 C CN100406600 C CN 100406600C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nial
- alloy
- intermetallic compound
- modification
- polyphase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物。
背景技术
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-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。
发明内容
本发明的目的是提供一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，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。
本发明是一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，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。
本发明Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶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。而本项发明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。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，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。
本发明Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，所需原料由纯度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。
在本发明中，Fe原子百分比的较佳取值范围为6～9。
本发明的金属间化合物采用真空电弧熔炼法制备，该方法是将按比例称取的原料放入非自耗真空电弧炉中熔炼铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度2500℃～3000℃，翻炼3～6次，原料熔炼均匀即可。其制备过程中，通过改变合金中铝(Al)元素的含量并同时添加相应含量的铁(Fe)元素来控制合金的室温和高温力学性能。
将制得的金属间化合物锭材进行力学性能分析：
(一)采用线切割方法切取样品进行组份分析，通过精确测量样品的质量和体积，计算金属间化合物的密度为6.01～6.99g/cm3，样品为直径6mm，长度9mm的圆柱体。
(二)采用材料力学实验机(MTS)进行室温(18℃)和高温力学性能的测试：
其室温屈服强度为1100～2100MPa，较未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高20％～100％，较等原子比NiAl合金提高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％。
本发明金属间化合物在600℃～800℃的高温屈服强度分别为900MPa、600MPa，较未添加Fe元素的NiAl-Cr(Mo)合金提高了29％和20％。
采用Instrons设备进行高温1150℃力学性能的测试，实验样品为直径6mm，长度9mm的圆柱体；其屈服强度为90～100MPa。
(三)采用材料力学实验机(MTS)进行室温(18℃)材料断裂韧性的测试，实验样品为6mm×6mm×30mm的方柱体，测试时的应变速率为0.02mm/min，断裂韧性值为15～20MPa·m1/2。
本发明金属间化合物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。
本发明开发出一种新型的低密度、高比强度的金属间化合物，可以减轻结构重量，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。
实施例1：制Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe金属间化合物
按照名义成分为Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe(原子百分比)进行配料，其原材料的纯度均为99.999％。
采用非自耗真空电弧炉熔炼Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe合金铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度3000℃，翻炼4次，原料熔炼均匀即可。
将制得的金属间化合物棒材采用高温热处理炉在1200℃下保温12小时后随炉冷却至室温。
采用线切割方法从热处理后的Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe锭材上切取直径6mm，高度9mm的圆柱体样品以及6mm×6mm×30mm的方柱体进行力学性能测试。
采用1111型精确度为10-4g的电子天平测量样品的质量M，使用精确度为10-2mm的游标卡尺测量样品的端面直径D和长度L，采用公式：ρ＝4M×D-2×(πL)-1计算Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe金属间化合物密度ρ(公式中π为圆周率)，其密度为6.42g/cm3。
请参见图1所示，采用MTS-880型万能材料实验机进行力学性能测试，其室温屈服强度为1900MPa，压缩塑性大于31％；其200℃屈服强度为1700MPa，压缩塑性大于36％；其400℃屈服强度为1300MPa，压缩塑性大于40％；其600℃屈服强度为500MPa，压缩塑性大于50％；其800℃屈服强度为300MPa，压缩塑性大于50％；其1150℃屈服强度为95MPa，压缩塑性大于50％。
实施例2：制Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe金属间化合物
按照名义成分为Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe(原子百分比)进行配料，其原材料的纯度均为99.999％。
采用非自耗真空电弧炉熔炼Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe合金铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度2700℃，翻炼6次，原料熔炼均匀即可。
将制得的金属间化合物棒材采用高温热处理炉在1200℃下保温12小时后随炉冷却至室温。
Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe金属间化合物的力学性能测试条件与实施例1相同，其密度为6.99g/cm3；室温屈服强度为2100MPa，压缩塑性大于32％；600℃屈服强度为900MPa，压缩塑性大于50％；800℃屈服强度为600MPa，压缩塑性大于50％；1150℃屈服强度为100MPa，压缩塑性大于50％。
下表为不同组份的金属间化合物在熔炼温度3000℃条件下的力学性能：
| 金属间化合物 | 密度 | 1150℃时的屈服强度 | 18℃时的屈服强度 |
| Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Fe | 6.01g/cm<sup>3</sup> | 90MPa | 1100MPa |
| Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Fe | 6.13g/cm<sup>3</sup> | 92MPa | 1300MPa |
| Ni-27Al-30Cr-4Mo-6Fe | 6.30g/cm<sup>3</sup> | 92MPa | 1600MPa |
| Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Fe | 6.48g/cm<sup>3</sup> | 95MPa | 1900MPa |
| Ni-22Al-30Cr-4Mo-11Fe | 6.61g/cm<sup>3</sup> | 97MPa | 2000MPa |
| Ni-20Al-30Cr-4Mo-13Fe | 6.73g/cm<sup>3</sup> | 95MPa | 1950MPa |
| Ni-17Al-30Cr-4Mo-16Fe | 6.93g/cm<sup>3</sup> | 92MPa | 1960MPa |
本发明人通过在Ni-16～32Al-30Cr-4Mo-1～17Fe金属间化合物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。
Claims (6)
1.一种Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，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。
2.根据权利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，其特征在于：所述金属间化合物是Ni-27Al-30Cr-4Mo-6Fe。
3.根据权利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，其特征在于：所述金属间化合物是Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Fe。
4.根据权利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，其特征在于：所述金属间化合物是Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Fe。
5.根据权利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，其特征在于：所述金属间化合物是Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Fe。
6.根据权利要求1所述的Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物，其特征在于：金属间化合物密度为6.01～6.99g/cm3，室温屈服强度为1100～2100MPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2006101651202A CN100406600C (zh) | 2006-12-13 | 2006-12-13 | Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2006101651202A CN100406600C (zh) | 2006-12-13 | 2006-12-13 | Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1970804A CN1970804A (zh) | 2007-05-30 |
| CN100406600C true CN100406600C (zh) | 2008-07-30 |
Family
ID=38111830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2006101651202A Expired - Fee Related CN100406600C (zh) | 2006-12-13 | 2006-12-13 | Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN100406600C (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108546862A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-09-18 | 西安理工大学 | 一种镍铝铬钼铁共晶合金及其制备方法 |
| CN113481418B (zh) * | 2021-06-01 | 2022-03-25 | 西安理工大学 | 一种镍铝钼铬钒铁共晶系高熵合金及其制备方法 |
| CN113481417B (zh) * | 2021-06-01 | 2022-03-25 | 西安理工大学 | 一种共晶系高熵合金及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4054469A (en) * | 1976-06-01 | 1977-10-18 | General Electric Company | Directionally solidified eutectic γ+β nickel-base superalloys |
| US4264029A (en) * | 1978-08-16 | 1981-04-28 | Deutsche Forschungs- Und Versuchsanstalt Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. | Compound material and method for producing same |
| US4948558A (en) * | 1983-10-03 | 1990-08-14 | Allied-Signal Inc. | Method and apparatus for forming aluminum-transition metal alloys having high strength at elevated temperatures |
| CN1009298B (zh) * | 1986-08-01 | 1990-08-22 | 海德堡印刷机械有限公司 | 从旋转运动形成为周期运动的传动装置 |
-
2006
- 2006-12-13 CN CNB2006101651202A patent/CN100406600C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4054469A (en) * | 1976-06-01 | 1977-10-18 | General Electric Company | Directionally solidified eutectic γ+β nickel-base superalloys |
| US4264029A (en) * | 1978-08-16 | 1981-04-28 | Deutsche Forschungs- Und Versuchsanstalt Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. | Compound material and method for producing same |
| US4948558A (en) * | 1983-10-03 | 1990-08-14 | Allied-Signal Inc. | Method and apparatus for forming aluminum-transition metal alloys having high strength at elevated temperatures |
| CN1009298B (zh) * | 1986-08-01 | 1990-08-22 | 海德堡印刷机械有限公司 | 从旋转运动形成为周期运动的传动装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1970804A (zh) | 2007-05-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| He et al. | Strengthening the CoCrFeNiNb0. 25 high entropy alloy by FCC precipitate | |
| EP2479302B1 (en) | Ni-based heat resistant alloy, gas turbine component and gas turbine | |
| CN106521243A (zh) | 一种Ni‑Cr‑Mo‑Nb‑Al‑Ti系高温合金材料、其制备方法及其应用 | |
| CN102586652A (zh) | 用于先进燃气涡轮发动机的Ni-Cr-Co合金 | |
| MX2014014555A (es) | Aleacion de niquel-cromo que tiene buena capacidad de ser trabajada, resistencia a la fluencia y resistencia a la corrosion. | |
| CA2580933A1 (en) | Heat and corrosion resistant cast austenitic stainless steel alloy with improved high temperature strength | |
| CN106893893B (zh) | 一种高强低膨胀高温合金 | |
| CN110125573A (zh) | 一种钴铁镍铬锰高熵合金钎料及其制备方法 | |
| CN100497700C (zh) | 一种Ta改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN100406600C (zh) | Fe改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物 | |
| WO1992003584A1 (en) | Controlled thermal expansion alloy and article made therefrom | |
| CN100497701C (zh) | 一种V改性的NiAl－Cr（Mo）双相共晶金属间化合物 | |
| JPS58221253A (ja) | 鉄を含をＮｉ↓−Ｃｒ↓−Ａｌ↓−Ｙ系高温耐酸化性合金 | |
| CN100523250C (zh) | 一种Nb改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN100510138C (zh) | 一种Co改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN100523247C (zh) | 一种Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN100523248C (zh) | 一种Zr改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN100422369C (zh) | Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶结构金属间化合物 | |
| CN110396622A (zh) | 一种中强超高韧性钛合金及其制备方法 | |
| CN105734344B (zh) | 一种综合高温性能优异的镍基合金及其生产工艺 | |
| CN100523249C (zh) | 一种W改性的NiAl－Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN1321204C (zh) | 一种钛镍铝高温合金材料及其制备方法 | |
| CN113981255A (zh) | 一种镍基合金生产加工工艺 | |
| CN100475997C (zh) | 一种TiNiFeMoScNd形状记忆合金 | |
| CN106676366B (zh) | 耐高温合金的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |