CN1038051C - 铁铝合金及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以铁和铝为基的合金，它由下列成分(以原子百分数计)组成：12-18的铝、0.1-10的铬、0.1-2的铌、0.1-2的硅、0.1-5的硼、0.01-2的钛、0.01-0.05的碳、0.005-0.02的锆、余量为铁。这种合金具有抗热冲击性强的特性，在800℃时仍有相当好的机械性能。该合金用于制造例如燃气轮机外壳这样的元件，以较小的机械负载经受频繁的热循环时特别有利。

Description

铁铝合金及其用途

铁铝合金可用作热机的一些零件，这些零件要经受高热的应力并处于氧化和/或腐蚀作用之下。人们打算把它们作为替代特种钢和镍基超级合金的重要替代品。

在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.288卷971-976页文献“Acceptable Aluminium Additions for Minimal Environmental Effect inIron-Aluminium Alloys”中，V.K.Sikka等人描述了一种铁铝合金，它含有的比例是约16原子％铝和约5原子％铬，若需要，它可含约0.1原子％碳和/或锆，和/或1原子％钼。这种合金与铝的百分数从22到28原子％的铁铝合金相比，在室温时有高得多的延展性。温度当700℃时，这种合金的抗张强度约是100Mpa，是比较小的。因此，由这种合金制成的元件不应在700℃以上使用。

因此，本发明的一个目的是提供一种新的铁铝合金，它由下列成分(以原子百分数计)组成：12-18铝，0.1-10铬，0.1-2铌，0.1-2硅，0.1-5硼，0.01-2钛，0.01-0.05碳，0.005-0.02锆，余量为铁。它的优点是在700℃以上仍有很好的机械性能。本发明的另一个目的是适于这种合金的应用。

按此发明的合金甚至在700℃-800℃间仍有一定的机械性能，因而可用作稍受机械应力的元件。同时，这种合金的优点是具有卓越的热稳定性，因而可特别用作一些热设备的零件，这些设备要经受热循环载荷，特别像燃气轮机或涡轮增压机的外壳(casing)或外壳部件，或者特别是作为涡轮增压机的喷咀环。而且本合金可借助于铸造或铸造和滚压以很低成本生产。本合金的另一个优点是它的成分中所含的金属价格比较低廉，而且不受战略政策的影响容易得到。

下面由更详细的描述的实施方案附图来说明这个发明，其中：

附图中本发明的合金I和现有的合金II的抗张强度UTS[MPa]都表示成温度T[℃]的函数。

图中指定的合金I和II有下列成分：

合金I(按本发明的优选实施方案)：

  成分                原子％

  铝                  16.00

  铬                  5.00

  铌                  1.00

  硅                  1.00

  硼                  3.53

  钛                  1.51

  碳                  0.03

  锆                  0.01

  铁                  余量合金II(按现有技术的)：

  成分                原子％

  硅                  4.00

  碳                  3.35

  钼                 1.00

  锰                 0.30

  磷                 0.01

  硫                 0.05

  铁                 余量

合金I在电弧炉中在氩气保护下熔炼。所用的原始材料是纯度超过99％的各个元素。倒出熔化物制成一个直径约100mm，高约100mm的铸件。再在真空下熔化铸件，同样，在真空下铸成直径约12mm，长约70mm的圆棒，最小直径约10mm，最大直径约16mm，长约65mm的胡罗卜状物件，或直径为80mm，中心厚度达14mm并且辐射状分布以使边缘厚度约1mm的铁并状圆盘。下一步，在每个盘子上沿其轴打一个直径为19.5mm的孔。圆棒和胡罗卜状试件准备用于张力试验。圆盘用于测定抗热冲击性。用市场上买得到的广泛用作燃气轮机外壳材料的合金II以及含有小于25％的硅及小于40％的钼的有关合金，制得适当大小的试件用于测定机械强度和抗热冲击性。

张力试验作为温度的函数来进行。结果是本发明合金I，在800℃时的张力强度约为100MPa，比现有技术的合金II高出很多。对于降低了硅和钼百分数的现有合金，有类似情况，图上没有表示出来。

用铁并形圆盘按Glenny可测定抗热冲击性。在每种情况下在一循环过程中都把每种合金二个盘子放在一流化床上加热到650℃，然后用压缩空气冷却到200℃。在这样几次加热，冷却后，数出在盘边缘上可能形成的长度大于2mm的裂缝数。在两个盘子上出现的裂纹总数可作为循环数的函数，对本发明的合金I及现有的两种合金详述如下：

循环数	长度大于2mm的裂纹数
					合金I(发明)	合金II(现有)	另一种合金(现有)
140240340540740	00000	02244	01448

由此可看出，常用作燃气轮机外壳材料的现有合金，在循环240次后就出现了不希望有的裂纹，而本发明的合金甚至在循环740次后仍然没有裂纹。

本发明的合金不仅在温度高于700℃时的机械强度而且在抗热冲击性方面都超过现有类似的可用合金。因此，这种合金用作温度在700℃-800℃间仍要求有相当高的机械强度，并且要经受强的热循环载荷，例如燃气轮机外壳这种热设备组件的材料时特别优越。

本发明的合金在700℃和800℃间有着好的机械性能，具有高的抗热冲击性都已由实例中的合金证实了。这种合金的铝含量至少是12原子％，至多为18原子％。若铝含量低于12原子％，合金的抗氧化、抗腐蚀能力及抗热冲击性就会退化。若铝含量大于18原子％，合金日益变脆。

加入0.1-10原子％铬合金元素将进一步提高合金的热稳定性和抗氧化、抗腐蚀性。而且铬可改善合金的延展性。但Cr的加入量超过10原子％通常又会降低它的机械性能。

加入0.1-2原子％铌合金元素会增加本合金的硬度和强度。此外，也可熔合0.1到2原子％的钨和/或钽来代替铌。

百分含量为0.1到2原子％硅可增进本合金的可铸性且对它的抗氧化，抗腐蚀作用有益。而且硅可增加其硬度。

加入0.1-5原子％硼和0.01-2原子％钛合金元素可大大增加本合金的抗热冲击性及抗氧化、抗腐蚀能力。这主要是由于在合金中可形成分散得很好的二硼化钛TiB₂。在高温时在氧化和/或腐蚀情况下，在本合金表面上可形成一层主要是氧化铝Al₂O₃的保护层。二硼化钛相由于它譬如说以针状结晶形式从合金伸到保护层，因而使保护层与层下的合金附着得特别牢固，这就大大增加了保护层的稳定性。硼的百分数不应该超过5原子％，钛的百分数不应该超过2原子％，否则形成的二硼化钛太多而使合金变脆。若硼的百分数低于0.1原子％，钛的百分数低于0.01原子％，本合金的抗热冲击性，抗氧化，抗腐蚀能力大大退化。

加入0.01-0.05原子％碳和0.005-0.02原子％锆合金元素可使合金的机械强度稍有增加，同时可大大改善它的可焊性。

含有下列成分(原子％)的合金有特别好的机械强度和抗热冲击性：

14-16        铝

0.5-1.5      铌

4-6          铬

0.5-1.5       硅

3-4           硼

1-2           钛

约0.03        碳

约0.01        锆

余量为        铁

显然，按上面所讲的可以对本发明作许多修改和变动。因此，应当理解，在附加的权利要求范围内可以不同于这里详述的实施方案实施此项发明。

Claims (5)

1.一种以铁和铝为基的合金，它由下列成分(以原子百分数计)组成：

12-18           铝

0.1-10          铬

0.1-2           铌

0.1-2           硅

0.1-5           硼

0.01-2          钛

0.01-0.05       碳

0.005-0.02      锆

余量为          铁。

2.如权利要求1中所述的合金，它由下列成分(以原子百分数计)组成：

14-16           铝

0.5-1.5         铌

4-6             铬

0.5-1.5         硅

3-4             硼

1-2

0.03            碳

0.01            锆

余量为          铁。

3.权利要求1所述合金的用途，将其用作抗热冲击材料。

4.权利要求3所述的用途，其中所述材料用来制造传送热气的元件。

5.权利要求4所述的用途，其中所述元件为燃气轮机的外壳。