CN108179471B - 一种铁锰铝基单晶合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁锰铝基单晶合金材料，具有厘米级别的超大晶粒结构或单晶，由多晶结构的铸态合金经1000～1300℃热处理后获得，该铸态合金铸态合金包括如下重量百分比的组分：铁40～53％，锰30～43％，铝4～14％，镍0～10％，铜3～15％。本发明由于添加了金属铜，因此合金中除了富铁的体心立方相外，还存在富铜的析出相，由于金属铜的添加以及富铜析出相的存在促使合金在高温热处理时发生晶粒异常长大，从而导致合金在经过简单热处理后即可形成超大晶粒结构甚至单晶合金。

Description

一种铁锰铝基单晶合金材料
技术领域
本发明属于金属单晶合金技术领域，具体涉及一种铁锰铝基单晶合金材料。
背景技术
单晶合金通常具有比多晶合金更为优异的力学和功能特性，因此具有广阔的应用前景。金属材料通过传统的热处理工艺(熔炼、凝固、退火)都是多晶结构，其块材单晶合金往往只能通过一些特殊的设备和工艺才能获得，比如定向凝固工艺(1、Otsuka，K.，Wayman，C.M.，Nakai，K.，Sakamoto，H.＆Shimizu，K.Superelasticity effects and stress-induced martensitic transformations in Cu-Al-Ni alloys.Acta Metall.24，207-226，1976；2、Saburi，T.，Inada，Y.，Nenno，S.＆Hori，N.Stress-induced martensitictransformations in Cu-Zn-Al and Cu-Zn-Ga alloys.J.Phys.43，633-638，1982；3、Kato，H.，Dutkiewicz，J.＆Miura，S.Superelasticity and shape memory effect in Cu-23at.％Al-7at.％Mn alloy single crystals.Acta Metall.Mater.42，1359-1365，1994；4、Kato，H.，Ozu，T.，Hashimoto，S.，Miura，S.Cyclic stress-strain response ofsuperelastic Cu-Al-Mn alloy single crystals.Mater.Sci.Eng.A.264，245-253，1999；5、The reorientation of the 2H martensite phase in Cu-Al-Mn shape memorysingle crystal alloy.Mater.Sci.Eng.A.481-482，526-531，2008)。一些金属材料在经过宏观变形后退火或动态再结晶时会发生晶粒异常长大现象，从而可以获得单晶材料，但是这些方法仅仅能获得一些形状简单的片材或者线材(1、Goss，N.P.New development inelectrical strip steels characterized by fine grain structure approaching theproperties of a single crystal.Trans.ASM 23，511-531，1934；2、Humphreys，F.J.＆Hatherly，M.in Recrystallization and related annealing phenomena(Elsevier，Oxford，ed.2，2004；3、Padilha，A.F.，Plant，R.L.＆Rios，P.R.Annealing of cold-workedaustenitic stainless steels.ISIJInt.43，135-143，2003；4、Ciulik，J.＆Taleff，E.M.Dynamic abnormal grain growth：A new method to produce singlecrystal.Scr.Mater.61，895-898，2009)，而且过程比较复杂，工艺繁琐，成本高，且不能获得块材的单晶材料，故不利于实际应用。
日本的Omori等人发现一种铁锰铝镍四元合金材料，其成分范围为(质量比)：铁47.2％，锰36.3％，铝7.9％，镍8.6％。(Omori，T.，Iwaizako，H.＆Kainuma，R.Abnormalgrain growth induced by cyclic heat treatment in Fe-Mn-Al-Ni superelasticalloy.Mater.Des.101，263-269，2016)。该种合金材料不需要经过宏观变形，通过数十次热循环即可获得超大晶粒组织，其热循环过程为：首先铸态多晶合金在高温1200℃的单一相区进行均质化热处理，然后将合金缓慢冷却(冷却速度为3.3℃/min)到600℃～1100℃，然后在缓慢升温(升温速度为10℃/min)到1200℃短时保温，按照上述工艺进行数十次循环热处理后淬火。但是上述循环热处理工艺不仅耗时而且工艺极为繁琐，对升降温速率要求非常严格，不利于实际的生产应用。
到目前为止，金属单晶合金的应用并不多，主要集中在航空航天等领域，这主要是因为金属单晶合金，尤其是块材单晶合金仅仅通过特殊设备和工艺材料才可获得，其生产效率低且成本昂贵。因此开发可通过简单工艺即可获得块材单晶的金属合金材料具有非常重要的理论意义和非常广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种铁锰铝基单晶合金材料。
本发明的技术方案如下：
一种铁锰铝基单晶合金材料，具有厘米级别的超大晶粒结构或单晶，由多晶结构的铸态合金经1000～1300℃热处理后获得铸态合金，该铸态合金包括如下重量百分比的组分：铁40～53％，锰30～43％，铝4～14％，镍0～10％，铜3～15％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述铸态合金由如下重量百分比的组分组成：铁40～53％，锰30～43％，铝4～14％，镍0～10％，铜3～15％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述铸态合金包括如下重量百分比的组分：铁40～50％，锰36～43％，铝7～10％，镍0～8％，铜4～10％。
进一步优选的，所述铸态合金由如下重量百分比的组分组成：铁40～50％，锰36～43％，铝7～10％，镍0～8％，铜4～10％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述热处理包括：1050～1120℃退火10～13h空冷，然后再在1240～1290℃退火20～25h后淬火。
在本发明的一个优选实施方案中，所述热处理包括：1170～1220℃退火1.5～2.5h后淬火。
本发明的有益效果是：
1、现有技术中，Omori等人所报道的铁锰铝镍四元合金由于合金不存在液相分离现象，故合金中并没有非常细小的析出相。本发明由于添加了金属铜，因此合金中除了富铁的体心立方相外，还存在富铜的析出相，由于金属铜的添加以及富铜析出相的存在促使合金在高温热处理时发生晶粒异常长大，从而导致合金在经过简单热处理后即可形成超大晶粒结构甚至单晶合金。
2、现有技术中，Omori等人所报道的铁锰铝镍四元合金中金属镍是必不可少元素且没有铜元素，本发明中镍可选金属元素。
3、现有技术中，Omori等人所报道的铁锰铝镍四元合金必须经过数十次的热循环才可以获得超大晶粒组织，而本发明的铁锰铝基合金仅仅需要对铸态多晶合金进行简单退火即可获得超大晶粒组织甚至单晶。故本发明的铁锰铝基单晶合金制备工艺极为简单，非常容易实现，具有非常好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中Fe-36Mn-8Al-8Ni-4Cu的铸态合金和所获得单晶合金照片。
图2是本发明实施例2中Fe-43Mn-9Al-4Cu的铸态合金和所获得单晶合金照片。
图3是本发明实施例3中Fe-41Mn-9Al-8Cu的铸态合金和所获得单晶合金照片。
图4是本发明实施例3中Fe-41Mn-9Al-8Cu的铸态合金的微观组织图。其中合金由富铁的体心立方α相，富Cu的析出相，以及面心立方的γ(FeMn)相组成。(a)金相显微组织，(b)背散射电子图像。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
将铁、锰、铝、镍和铜金属原料分别按铁44％，锰36％，铝8％，镍8％，铜4％的质量百分比配料，然后将合金进行熔炼，在合金冷却后得到Fe-36Mn-8Al-8Ni-4Cu的铸态合金。然后将铸态合金1100℃热处理12h后空冷，然后再在1250℃热处理24h后淬火，获得具有超大晶粒组织的合金材料，其结果图如图1所示，可直接获得约3.4cm的块材单晶。
实施例2
将铁、锰、铝和铜金属原料分别按铁44％，锰43％，铝9％，铜4％的质量百分比配料，然后将合金进行熔炼，在合金冷却后得到Fe-43Mn-9Al-4Cu的铸态合金。然后将铸态合金1100℃热处理12h后空冷，然后再在1280℃热处理24h后淬火，获得具有超大晶粒组织的合金材料，其结果图如图2所示，可直接获得2.4厘米的块材单晶。
实施例3
将铁、锰、铝和铜金属原料分别按铁42％，锰41％，铝9％，铜8％的质量百分比配料，然后将合金进行熔炼，在合金冷却后得到Fe-41Mn-9Al-8Cu的铸态合金。然后将铸态合金在1200℃热处理2h后淬火，获得具有超大晶粒组织的合金材料，所获得超大晶粒如图3所示，可直接获得约1.5厘米的块材单晶，其铸态合金的微观结果如图4所示。
实施例4
将铁、锰、铝、镍和铜金属原料分别按铁44％，锰38％，铝10％，镍1％，铜8％的质量百分比配料，然后将合金进行熔炼，在合金冷却后得到Fe-38Mn-10Al-1Ni-8Cu的铸态合金。然后将铸态合金在1100℃热处理12h后空冷，然后再在1250℃热处理24h后淬火，获得具有超大晶粒组织的合金材料。
实施例5
将铁、锰、铝和铜金属原料分别按铁50％，锰39％，铝7％，铜4％的质量百分比配料，然后将合金进行熔炼，在合金冷却后得到Fe-39Mn-7Al-4Cu的铸态合金。然后将铸态合金在1000℃进行退火处理，退火时间为12h后淬火，获得具有超大晶粒组织的合金材料，可直接获得数厘米的块材单晶。
实施例6
将铁、锰、铝和铜金属原料分别按铁40％，锰40％，铝10％，铜10％的质量百分比配料，然后将合金进行熔炼，在合金冷却后得到Fe-40Mn-10Al-10Cu的铸态合金。然后将铸态合金在1200℃热2h后淬火，获得具有超大晶粒组织的合金材料，可直接获得数厘米的块材单晶。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (2)

1.一种铁锰铝基单晶合金材料，其特征在于：具有厘米级别的超大晶粒结构或单晶，由多晶结构的铸态合金经热处理后获得，该铸态合金由如下重量百分比的组分组成：铁40~50%，锰36~43%，铝7~10%，镍0~8%，铜4~10%；该热处理包括：1050~1120℃退火10~13h空冷，然后再在1240~1290℃退火20~25h后淬火。
2.如权利要求1所述的一种铁锰铝 基单晶合金材料，其特征在于：所述热处理包括：1170~1220℃退火1.5~2.5h后淬火。
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