CN118048585A - 一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料及其制备方法。所述合金材料的原料组分质量百分比为：Fe：45％‑55％、Ni：25％‑30％、Co：15％‑20％、Al：2％‑5％、Ti：2％‑5％。经预处理、真空熔炼、热轧、固溶处理以及时效处理后，合金材料在短时间内析出高密度的球形Ni3(AlTi)强化相，随着时效时间延长，基体结构由FCC转为BCC结构，赋予合金优异的力学性能，并且在长时间时效后相稳定性较好。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料的制造及其应用技术领域，尤其是涉及一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料及其制备方法。
背景技术
多主元合金是一种具有优异力学性能的材料，由于其具备高硬度、高强度、高耐磨、和良好的耐腐蚀性能，受到了广泛的关注。铁基合金由于其具有优异的拉伸性能和较低的生产成本而被广泛关注。为了获得高性能的合金，可经过一些强化处理改变合金的性能。很多研究表明，在合金中加入适量的Al和Ti后，会促进退火过程中L12相的形成，进一步提高合金的硬度、强度和韧性。但是在高温长时间时效或服役后强化相会转化为脆性相，使材料服役性能显著下降。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明之一，提供一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料，所述合金材料的原料组分质量百分比为：Fe：45％-55％、Ni：25％-30％、Co：15％-20％、Al：2％-5％、Ti：2％-5％；所述的Fe、Ni、Co、Al、Ti金属原材料均为高纯度的原料，均≥99.99％。
进一步地，所述高强韧耐高温铁基多主元合金材料具有优异的性能，在高温下时效处理后，其硬度值可达497.15HV，在室温下进行拉伸，其强度可达1454.91MPa，在700℃下进行高温拉伸，其强度可达422.55MPa，且时效过程中析出相具有较好的高温稳定性，没有随着时效时间的延长转化为脆性相。
进一步地，所述合金材料的原料组分质量比优选为：Fe：Ni：Co：Al：Ti＝47.5：28：17：2-5：2-5。
本发明之二，提供所述高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：预处理：将金属原料经砂纸打磨去除表面氧化层和杂质，清洗，干燥，按照原料组分配比配料；
S2：真空熔炼：将配好原料按放料要求放入熔炼炉坩埚中，抽真空，往炉内充入高纯保护气体；分别熔炼Fe、Ni、Co、Al、Ti金属原材料，最后移到同一坩埚内进行合并熔炼，得到合金铸锭；
S3：热轧：将步骤S2得到的合金铸锭进行高温轧制，得到合金板材；
S4：固溶处理：将合金板材在1150℃-1250℃范围下处理3h-5h，之后淬火冷却至室温，得到中间态高强韧耐高温铁基多主元合金材料；
S5：时效处理：将中间态高强韧耐高温铁基多主元合金材料在400℃-800℃下保温，最后自然冷却至室温，得到所述高强韧耐高温铁基多主元合金材料。
进一步地，步骤S2中所述高纯保护气体为氩气。
进一步地，步骤S3中所述高温轧制的温度为1000℃-1100℃。
更进一步地，所述高温轧制的温度优选为1050℃。
进一步地，步骤S3中所述合金铸锭的变形量为45％-55％。
进一步地，步骤S4中所述冷却的速率为8℃/s-12℃/s。
进一步地，中间态高强韧耐高温铁基多主元合金材料在时效处理中析出弥散分布的γ′-Ni3(AlTi)相，且基体逐渐从FCC结构转化为BCC结构。
进一步地，步骤S5中所述保温的时间为5min至1024h。
进一步地，步骤S4中优选合金板材在1200℃范围下处理4h。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明提供一种高强韧耐高温的铁基多主元合金材料及其制备方法，中间态高强韧耐高温铁基多主元合金材料经时效处理后，合金材料在短时间内析出高密度的球形Ni3(AlTi)强化相，随着时效时间延长，基体结构由FCC转为BCC结构，赋予合金优异的力学性能，并且在长时间时效后相稳定性较好。
(2)本发明提供的高强韧耐高温的铁基多主元合金材料在保证性能的同时，相较镍基高温合金，降低了高成本元素含量，降低合金制备的成本，有利于规模化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中Fe47.5Ni28Co17Ti5Al2.5时效过程中的XRD图；
图2为本发明实施例1中Fe47.5Ni28Co17Ti5Al2.5在775℃时效2h的TEM图；
图3为本发明实施例1中Fe47.5Ni28Co17Ti5Al2.5在775℃时效64h的TEM图；
图4为本发明实施例2中Fe47.5Co17Ni28Al5Ti2.5在775℃时效32h的SEM图；
图5为本发明对比例中Fe47.5Ni28Co17Ti5Al2.5未经时效处理的TEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种高强韧耐高温的铁基多主元合金材料及其制备方法。
按照质量百分比称取原料，Fe：47.5wt％、Ni：28wt％、Co：17wt％、Al：2.5wt％、Ti：5wt％；原材料均为高纯度的原料，均≥99.99％。由于Al的熔点与其他金属单质的熔点差异较大，考虑到熔炼过程的损失，故额外添加1wt％(共添加3.5wt％)，将其放入真空电弧炉中进行熔炼，将制备成型的合金进行热轧和热处理(包括固溶处理和时效处理)，热轧步骤在1050℃下进行，变形量为50％，将熔炼后得到的铸锭进行固溶处理和时效处理，固溶处理：将铸锭在1200℃下处理4h，之后淬火至室温，冷却速率10℃/s。时效处理：将固溶完成后的样品在775℃进行2h时效处理，最后空冷至室温，得到高强韧耐高温的铁基多主元合金材料Fe47.5Ni28Co17Ti5Al2.5。
经过热处理后的样品XRD图如图1所示。热处理后，合金中基体有FCC结构逐渐转化为BCC结构，基体中析出了球状的γ′-Ni3(AlTi)相，形貌组织如图2所示，改善了合金的性能。随着热处理时间的延长，合金中析出相的尺寸增大，如图3(时效至64h的形貌图)所示。即使高温长时间时效，强化相仍未转化为脆性相，具有较好的相稳定性。基体的结构转化和Ni3(AlTi)强化相的析出起到了主要强化作用，合金在热处理过程中的硬度值在4h时达到了最高，为497.15HV。
实施例2
本实施例提供一种高强韧耐高温的铁基多主元合金材料及其制备方法。
原料用量与实施例1相同，除了Al：5wt％、Ti：2.5wt％。由于Al的熔点与其他金属单质的熔点差异较大，考虑到熔炼过程的损失，故额外添加1wt％(总共添加6wt％)。
预处理、真空熔炼、热轧以及固溶处理的处理过程与实施例1相同。
时效处理时将固溶完成后的样品在775℃进行32h时效处理，最后空冷至室温，得到高强韧耐高温的铁基多主元合金材料Fe47.5Co17Ni28Al5Ti2.5。
经过热处理32h后的样品SEM图如图4所示。热处理后，合金中基体逐渐析出颗粒状和长棒状的富NiAl的析出相，形貌组织如图4所示，改善了合金的性能，在此温度下，析出强化起到了主要强化作用，在时效过程中，硬度值最高达到了351.45HV。
对比例
本实施例提供一种高强韧耐高温的铁基多主元合金材料及其制备方法。
原料用量与实施例1相同，预处理、真空熔炼、热轧以及固溶处理的处理过程也与实施例1相同。只是未作时效处理。
未经过时效处理的样品XRD图如图1(t＝0)所示。固溶后合金是以FCC结构为基体的，形貌组织如图5所示，在合金中观察不到析出相的存在，硬度值为238.71HV。
通过对比实施例和对比例的样品，得出实施例的优点如下：该多组元合金在经过时效处理后，合金中的第二相析出强化效果优异，硬度值均有所上升，在高温下长时间时效，析出相的粗化速率较慢，延长了合金的服役寿命，且高温时效后的合金具有较高的强度，综合性能优异。
上述的对实施例的描述只为说明发明的技术构思及特点，其目的在于能让熟悉此项技术的人了解本发明，不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的解释，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料，其特征在于，所述合金材料的原料组分质量百分比为：Fe：45％-55％、Ni：25％-30％、Co：15％-20％、Al：2％-5％、Ti：2％-5％。
2.根据权利要求1所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料，其特征在于，所述合金材料的原料组分质量比为：Fe：Ni：Co：Al：Ti＝47.5：28：17：2-5：2-5。
3.一种如权利要求1或2任一项所述的高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预处理：将金属原料经砂纸打磨去除表面氧化层和杂质，清洗，干燥，按照原料组分配比配料；
S2：真空熔炼：将配好原料按放料要求放入熔炼炉坩埚中，抽真空，往炉内充入高纯保护气体；分别熔炼Fe、Ni、Co、Al、Ti金属原材料，所述的Fe、Ni、Co、Al、Ti金属原材料均为高纯度的原料，纯度均≥99.99％；最后移到同一坩埚内进行合并熔炼，得到合金铸锭；
S3：热轧：将步骤S2得到的合金铸锭进行高温轧制，得到合金板材；
S4：固溶处理：将合金板材在1150℃-1250℃范围下处理3h-5h，之后淬火冷却至室温，得到中间态高强韧耐高温铁基多主元合金材料；
S5：时效处理：将中间态高强韧耐高温铁基多主元合金材料在400℃-800℃下保温，最后自然冷却至室温，得到所述高强韧耐高温铁基多主元合金材料。
4.根据权利要求3所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述高温轧制的温度为1000℃-1100℃。
5.根据权利要求3所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述合金铸锭的变形量为45％-55％。
6.根据权利要求3所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述冷却的速率为8℃/s-12℃/s。
7.根据权利要求3所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述高纯保护气体为氩气。
8.根据权利要求3所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，中间态高强韧耐高温铁基多主元合金材料在时效处理中析出弥散分布的γ′-Ni3(AlTi)相，且基体逐渐从FCC结构转化为BCC结构。
9.根据权利要求3所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述保温的时间为5min至1024h。
10.根据权利要求3所述一种高强韧耐高温铁基多主元合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述合金板材在1200℃范围下处理4h。
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