CN108251697B - 一种耐低温高强高韧合金 - Google Patents
一种耐低温高强高韧合金 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108251697B CN108251697B CN201711346038.4A CN201711346038A CN108251697B CN 108251697 B CN108251697 B CN 108251697B CN 201711346038 A CN201711346038 A CN 201711346038A CN 108251697 B CN108251697 B CN 108251697B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- temperature
- strength
- low temperature
- low
- 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.)
- Active
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 49
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910018507 Al—Ni Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- XCNJCXWPYFLAGR-UHFFFAOYSA-N chromium manganese Chemical compound [Cr].[Mn].[Mn].[Mn] XCNJCXWPYFLAGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000012761 high-performance material Substances 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- ZAUUZASCMSWKGX-UHFFFAOYSA-N manganese nickel Chemical compound [Mn].[Ni] ZAUUZASCMSWKGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C16/00—Alloys based on zirconium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
- C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Continuous Casting (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明涉及一种耐低温高强高韧合金。该合金由Zr、Co、Al和Ni四种元素组成，Co、Al和Ni元素的质量百分比分别为35.50~37.50%、2.00~3.00%和1.50~2.50%，余量为Zr。该合金的制备方法包含两步：首先，将Zr、Co、Al和Ni纯金属原料在真空度为5.0~6.0×10‑3 Pa的电弧炉中进行反复熔炼，得到成分均匀的Zr‑Co‑Al‑Ni母合金；然后，将母合金铸锭再次熔化和采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到圆柱状Zr‑Co‑Al‑Ni合金材料。室温下，该合金的极限压缩强度≥1.85GPa，极限压缩应变≥16%；液氮温度下，该合金的压缩极限强度≥1.93GPa，极限压缩应变≥21%。本发明的新型合金在低温下具有高强高韧的综合力学性能，且制备工艺相对简单，在低温极端条件下的工程材料领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐低温高强高韧合金，属于低温极端条件下的工程材料技术领域。
背景技术
材料的力学性能会随着环境温度而发生改变，在不同环境温度下运行的仪器设备必须要考虑材料的适应性。在国防军工、航天工程、石油气深冷分离、液化气体储运等领域的低温环境中，机械装备所用的工程结构材料必须面对-20℃至-269℃极端低温环境条件。随着科技和经济的迅猛发展，上述领域对低温环境服役材料的性能要求日益提高，市场需求也日益增大。
低温用金属材料必须具备良好的加工性、足够的低温强度与韧性等性能特点，目前实际工程应用的低温材料主要包括低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬-锰或铬-锰-镍奥氏体钢以及铬-镍奥氏体不锈钢等低温钢。低合金钢一般在-100℃左右的温区内使用，用于制造冷冻设备、运输设备、乙烯地上贮藏室和石油化工设备等。在美国、英国、日本等国家，9％镍钢广泛应用于-196℃的低温结构上，如保存、运输液化沼气和甲烷的贮罐、贮存液氧、制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是非常优良的低温用结构材料，它的低温韧性好、焊接性能优良、导热率低，在低温领域里得到广泛应用，用于液氢、液氧的运输罐车和贮罐等。但是，由于它含铬、镍较多，因而价格昂贵。
由于面心立方晶格金属的韧性与温度没有多大关系，故通常选择面心立方晶格金属（奥氏体钢、铝、铜等）作为低温结构材料；但面心立方金属的强度不够高，尤其是从常温到低温发生温度变化的环境中，要保证材料在常温和低温下同时具有优异的力学性能，面心立方金属难以满足实际需求。对于非面心立方金属，细化晶粒和合理的合金化均有助于提高其韧性等低温力学性能。通过合金化、晶粒细化和新材料开发等途径寻找适应低温环境工作的高性能材料，一直是材料领域的前沿课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐低温高强高韧合金，该合金包括Zr、Co、Al和Ni四种元素，Co元素的质量百分比为35.50~37.50%；Al元素的质量百分比为2.00~3.00%；Ni元素的质量百分比为1.50~2.50%；Zr元素的质量百分比为余量。
本发明所述耐低温高强高韧合金按常规方法制备得到，具体包括以下步骤：（1）将精确配置的Zr、Co、Al和Ni纯金属原料在真空度为5.0~6.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr-Co-Al-Ni母合金；（2）将母合金铸锭再次熔化采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr-Co-Al-Ni合金棒材。
本发明所述耐低温高强高韧合金在石油气深冷分离设备等低温领域具有广泛应用前景。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所述耐低温高强高韧合金在室温下，该合金的极限压缩强度 ≥1.85GPa，极限压缩应变 ≥ 16%；液氮温度（-196℃）下，该合金的压缩极限强度 ≥1.93GPa，极限压缩应变 ≥ 21%。
（2）本发明的新型合金成分简单、原料丰富、用途广泛，在低温下具有高强高韧的综合力学性能，且制备工艺相对简单、成本较为低廉，在低温极端条件下的工程材料领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例获得的Zr-Co-Al-Ni合金的金相组织；
图2为本发明实施例获得的Zr-Co-Al-Ni合金的室温（20℃）压缩工程应力-应变曲线；
图3为本发明实施例获得的Zr-Co-Al-Ni合金的液氮温度（-196℃）压缩工程应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
首先，按Zr、Co、Al、Ni元素质量百分比分别为61.00%、35.50%、2.00%和1.50%的比例配置合金原料100g，在压力为5.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr61Co35.5Al2Ni1.5母合金；然后，切取6g左右的母合金再次熔化后采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr61Co35.5Al2Ni1.5合金棒材，其金相组织如图1(a)所示。由图可以看出合金具有非常细小的晶粒，有助于其在室温和低温均获得优异的综合力学性能。截取Ø 2 mm × 4 mm的圆柱试样在室温（20℃）和液氮温度（-196℃）的温度下以5×10-4 s-1应变速率进行压缩力学性能检测，其压缩工程应力-应变曲线和力学性能分别如图2(a)、图3(a)和表1所示。
实施例2
首先，按Zr、Co、Al、Ni元素质量百分比分别为59.00%、36.50%、2.50%和2.00%的比例配置合金原料100g，在压力为5.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr59Co36.5Al2.5Ni2母合金；然后，切取6g左右的母合金再次熔化后采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr59Co36.5Al2.5Ni2合金棒材，其金相组织如图1(b)所示。由图可以看出，相对于实施例1，随着Co、Al、Ni合金元素含量的增加，合金组织粗化，导致合金的综合力学性能下降；但是，合金组织中树枝晶的形成及晶粒间第二相的析出有助于合金获得良好的低温综合力学性能。截取Ø 2 mm × 4 mm的圆柱试样在室温（20℃）和液氮温度（-196℃）的温度下以5×10-4 s-1应变速率进行压缩力学性能检测，其压缩工程应力-应变曲线和力学性能分别如图2(b)、图3(b)和表1所示。
实施例3
首先，按Zr、Co、Al、Ni元素质量百分比分别为57.00%、37.50%、3.00%和2.50%的比例配置合金原料100g，在压力为5.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr57Co37.5Al3Ni2.5母合金；然后，切取6g左右的母合金再次熔化后采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr57Co37.5Al3Ni2.5合金棒材，其金相组织如图1(c)所示。由图可以看出，相对于实施例1和实施例2，随着Co、Al、Ni合金元素含量的继续增加，合金组织进一步粗化，导致合金的综合力学性能继续下降；但合金组织中树枝晶间第二相的析出量继续增加，这有助于合金仍获得良好的低温综合力学性能。截取Ø 2 mm × 4 mm的圆柱试样在室温（20℃）和液氮温度（-196℃）的温度下以5×10-4 s-1应变速率进行压缩力学性能检测，其压缩工程应力-应变曲线和力学性能分别如图2(c)、图3(c)和表1所示。
表1新型Zr-Co-Al-Ni耐低温合金的室温和低温压缩力学性能检测数据
Claims (1)
1.一种耐低温高强高韧合金，其特征在于：该合金包括Zr、Co、Al和Ni四种元素，Co元素的质量百分比为35.50~37.50%；Al元素的质量百分比为2.00~3.00%；Ni元素的质量百分比为1.50~2.50%；Zr元素的质量百分比为余量；
所述耐低温高强高韧合金由以下方法制备得到：（1）将精确配置的Zr、Co、Al和Ni纯金属原料在真空度为5.0~6.0×10-3 Pa的电弧炉中进行5次反复熔炼，得到成分均匀的Zr-Co-Al-Ni母合金；（2）将母合金铸锭再次熔化采用水冷铜模真空吸铸法吸铸成形，得到Ø 2 mm圆柱状Zr-Co-Al-Ni合金棒材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711346038.4A CN108251697B (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 一种耐低温高强高韧合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711346038.4A CN108251697B (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 一种耐低温高强高韧合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108251697A CN108251697A (zh) | 2018-07-06 |
| CN108251697B true CN108251697B (zh) | 2020-07-31 |
Family
ID=62722717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711346038.4A Active CN108251697B (zh) | 2017-12-15 | 2017-12-15 | 一种耐低温高强高韧合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108251697B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106521240A (zh) * | 2016-10-31 | 2017-03-22 | 福建工程学院 | 一种高强韧锆合金及其制备方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3737056B2 (ja) * | 2002-02-15 | 2006-01-18 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 高強度Ｚｒ基金属ガラス |
| JP4374578B2 (ja) * | 2004-12-03 | 2009-12-02 | 株式会社豊田中央研究所 | 熱電材料及びその製造方法 |
| CN100376702C (zh) * | 2005-09-13 | 2008-03-26 | 北京航空航天大学 | 合金低温直接氧化制备单相氧化物的方法 |
| US8486330B2 (en) * | 2007-08-07 | 2013-07-16 | Korea Institute Of Industrial Technology | Zr-Ti-Ni (Cu) based brazing filler alloy compositions with lower melting point for the brazing of titanium alloys |
| CN103263925B (zh) * | 2013-05-08 | 2016-02-03 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | 一种铈锆基一氧化氮常温催化剂的制备方法 |
-
2017
- 2017-12-15 CN CN201711346038.4A patent/CN108251697B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106521240A (zh) * | 2016-10-31 | 2017-03-22 | 福建工程学院 | 一种高强韧锆合金及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Compressive deformation of CoZr and (Co, Ni)Zr intermetallic compounds with B2 structure;MORIHIKO NAKAMURA等;《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE》;19881231;第23卷(第11期);第4042页左栏第1段、第4047页第4章结论 * |
| Enhanced strength and transformation-induced plasticity in rapidly solidified Zr–Co–(Al) alloys;C.J. Li等;《Scripta Materialia》;20130221;第68卷;全文 * |
| Microstructure and mechanical properties of Zr–Co–Al alloys prepared by rapid solidification;Caiju Li等;《Journal of Materials Research》;20170731;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108251697A (zh) | 2018-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108642399B (zh) | 一种有基高熵合金及其制备方法 | |
| Mishra et al. | Design and development of Co35Cr5Fe20− xNi20+ xTi20 High Entropy Alloy with excellent magnetic softness | |
| CN102337424B (zh) | 一种镍钴铁镓超弹性合金材料及其制备方法 | |
| KR20160058817A (ko) | 오스테나이트계 스테인레스 클래드 강판 및 그 제조 방법 | |
| WO2015035845A1 (zh) | 一种锆基非晶合金及其制备方法 | |
| JP2016044332A (ja) | 低温用途向ステンレス鋼 | |
| CN101370951A (zh) | 抗金属粉末化性能出色的金属材料 | |
| CN105112817B (zh) | 一种耐磨耐蚀的非晶合金及其制备方法 | |
| Niu et al. | Effect of aluminium content on microstrure and mechanical properties of AlxCoFe1. 9Ni2. 1 high entropy alloys | |
| CN108251697B (zh) | 一种耐低温高强高韧合金 | |
| Xu et al. | Enhancing mechanical performance of Ti2ZrNbHfVAlx refractory high-entropy alloys through laves phase | |
| CN100497700C (zh) | 一种Ta改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN115233041B (zh) | 一种具有拉伸塑性的低膨胀合金及其制备方法 | |
| CN102230132B (zh) | 一种Fe-Cr-Mo-Al-Cu耐蚀高温合金 | |
| Toma et al. | Incoloy alloy 908 data handbook | |
| CN105734344B (zh) | 一种综合高温性能优异的镍基合金及其生产工艺 | |
| WO2011089998A1 (ja) | 高温用フェライト系ステンレス鋼 | |
| CN1970804A (zh) | Fe改性NiAl－Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物 | |
| Ida et al. | Solidification Microstructure and Mechanical Properties of B1-type TiC in Fe–Ti–C Ternary Alloys | |
| CN101148730A (zh) | 一种V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 | |
| CN106086522A (zh) | 一种高强韧镍合金及其制备方法 | |
| CN100523248C (zh) | 一种Zr改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN101148727A (zh) | 一种Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物 | |
| CN103233159B (zh) | 多晶铁基形状记忆超弹性合金及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |