CN1034184C - 改善铸态Fe3Al基金属间化合物合金中温持久性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善铸态Fe3Al基金属间化合物合金中温持久寿命强度的方法。该金属间化合物合金的成分范围为(以原子百分比计)：Al26-30%、Cr2-10%、C0.05-0.5%、余量Fe，还可含有少量Mo、微量Nb、Zr、B等。将上述铸态合金进行退火，退火温度为1000-1350℃，保温时间为1-3天，然后炉冷。经上述热处理后，合金在600℃、200MPa应力下的持久寿命可达到1400小时以上。

Description

改善铸态Fe3Al基金属间化合物合金中温持久性能的方法
本发明是关于一种改善铸态Fe3Al基金属间化合物合金中温持久性能的方法。
Fe3Al基金属间化合物合金具有优异的高温抗氧化、抗硫化性能、较低的密度、低廉的成本，可望取代不锈钢在某些中高温腐蚀环境中得到应用。然而，严重的室温脆性和600℃以上低的高温强度妨碍了它的推广应用及商品化。八十年代末，美国橡树岭国立实验室对Fe3Al金属间化合物的脆性本质展开系统研究，发现导致Fe3Al室温脆性的原因主要来自两个方面，一是解理强度低，二是由环境中的氢所致。通过添加合金元素Cr，提高了解理强度，降低了反相畴界能，室温塑性得到了一定程度的改善，室温拉伸延伸率达到9％左右(参见J.Mater.Res，1989，Vo14 p1156-1163)。九十年代初，通过合金化及热加工工艺控制，Fe3Al基金属间化合物合金的室温环境脆性敏感程度进一步降低，室温塑性和600℃瞬时强度获得较大幅度的改善，其瞬时性能已可与某些不锈钢相媲美(参见WO90/10722，1990，9，US4961903，1989，7；US5084109，1992，2；金属学报，1993，Vo129(A)，p354-358)，而中温持久性能的改善却进展迟缓。根据已公开文献报道，美国橡树岭国立实验室采用多元合金化手段，添加合金元素Cr、Mo、Nb、Zr、V、Y、C等，获得近150种Fe3Al基金属间化合物合金试图通过成分的优化组合来改善中温持久性能。在593℃、207MPa的条件下，持久寿命达到200小时(J.Mater.Res，1991，Vo16，p1779-1805)。材料的具体制备工艺是：电弧炉熔炼，经1000-850℃热轧、650℃温轧加工成0.76mm的薄板。尽管多元合金化在一定程度上改善了Fe3Al基金属间化合物合金的中温持久性能，但也带来一些问题，如冶炼难度增加，原材料成本提高，室温塑性变差等。
本发明的目的是提出一种既简单而又行之有效的方法，在不损失铸态Fe3Al基金属间化合物合金其它性能的情况下改善其中温持久性能。
本发明技术方案是采用一种新的热处理方法来改善铸态Fe3Al基金属间化合物合金的中温持久性能。本发明具体所涉及的Fe3Al基金属间化合物合金的化学成分(以原子百分比表示)是：Al 26-30％，Cr 2-10％，C 0.05-0.5％，微量碳化物形成元素Nb、Zr及少量固溶元素Mo、余量Fe。改善中温持久性能的具体工艺是：1000-1350℃退火1-3天，然后随炉冷却。
中高温下晶界迁移率高和再结晶温度低是导致Fe3Al基金属间化合物合金持久性能低的重要原因(J.Mater.Res，1992，Vo17 P2089-2106)。中高温下高的晶界迁移率易使晶界在外应力作用下产生滑动，过早地萌生裂纹，导致持久寿命降低；而再结晶温度低，则易使金属间化合物合金回复或再结晶发生软化，同样会降低持久寿命。本发明以Fe-26-30at％Al-2-10at％Cr为基础合金，在二元Fe3Al金属间化合物室温塑性有所改善的基础上，添加合金元素Mo、Nb、Zr、C等强化基体以改善中高温持久性能。合金元素Mo固溶于Fe3Al金属间化合物基体中，起到固溶强化作用，并提高铁铝金属间化合物再结晶温度20-50℃左右。此外，还提高DO3-B2转变温度。而Nb、Zr、C合金元素的添加，则会形成弥散碳化物粒子强化基体、钉扎晶界。对铸态Fe3Al基金属间化合物合金显微组织的观察表明，大量第二相碳化物粒子沿晶界不连续分布，也有少量粒子在晶内分布，见图[1]。采用本发明的热处理制度，会使铸态Fe3Al基金属间化合物合金获得弯曲晶界，将有利于抑制晶界楔形裂纹萌生，提高裂纹扩展抗力，阻止裂纹连接，从而改善持久性能。
实施例：试验合金成分(以原子百分比计)分别为：28％Al、5％Cr、少量Mo及微量Nb、Zr、B、C、余量Fe以及28％Al、5％Cr、少量Mo及微量Nb、C、余量Fe。合金采用真空感应熔炼，真空浇铸成5Kg的铸锭(铸模预热温度为200-600℃)。持久试样直接由铸锭加工制成。热处理工艺为：1025℃下保温24小时，炉冷。持久试验条件为：温度600℃、应力200MPa，上述工艺条件下铸态Fe3Al基金属间化合物合金持久性能见表[1]。由表[1]可知，采用本发明所采取的方法，Fe3Al基金属间化合物合金的持久性能由原来的29小时(600℃、200MPa)提高到1400小时以上，这一水平已可与某些不锈钢相比美。表[2]给出了C.G.McKamey等最近报道的按传统工艺制造的Fe3Al基金属间化合物合金的持久性能(593℃、207MPa)。其具体工艺为：真空冶炼、1000-850℃热轧、650℃温轧、850℃/1h+500℃/5days有序化退火。持久寿命仅达到200小时。比较表[1]和表[2]数据，清楚表明，采用本发明所述的方法，Fe3Al基金属间化合物合金在600℃、200MPa左右应力条件下的持久寿命明显高于国外同类合金水平。
图1.铸态Fe-28at％Al-5Crat％(MoZrNbBC)金属间化合物合金的铸态显微组织
表1.Fe3Al基金属间化合物合金在600℃、200MPa条件下的持久性能
    合金类型          断裂时间(小时)  延伸率(％)
    Fe3Al(对比合金)                 29      7.3
    Fe3Al(CrZrMoNbBC)     1411(200MPa)+171(220MPa)※      7.7
    Fe3Al(CrMoNbC)                692     18.5
※在600℃、200MPa条件下试样经1411小时未断裂，再在600℃、220MPa条件下经171小时方断裂。
      表2.C.G.McKamey等报道的Fe3Al基金属间化合物合金在593℃、207MPa条件下的持久寿命
                 合金类型  断裂时间(小时)  延伸率(％)
                  Fe-28Al       2     34
          Fe-28Al-5Cr-0.1Zr-0.05B      13     49
     Fe-28Al-5Cr-0.5Nb-0.5Mo-0.1Zr-0.05B     202     61

Claims (1)

1.一种改善铸态Fe3Al基金属间化合物合金中温持久性能的方法，该Fe3Al基金属间化合物合金的成分范围(以原子百分比计)为：Al 28-30％、Cr 2-10％、C 0.05-0.5％、余量Fe，其特征是将上述铸态Fe3Al基金属间化合物合金进行退火，退火温度为1000-1350℃，保温时间为1-3天，然后随炉冷却。
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