CN1315586A - 铁基耐热合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻型耐热耐蚀铁基合金及其制造方法,该合金具有合适的室温拉伸塑性,优异的高温抗氧化性和高温拉伸塑性。本发明还提供由该合金的一体心立方固溶体所构成的一种材料,以及一种强化该材料的方法,该方法包括在体心立方结构固溶体基体中沉淀析出具有与基体基本相同点阵常数的另一体心立方固溶体粒子。该合金加工方便,具有优异的机械性能,特别是优异的高温机械性能,因此可在高温结构上应用,比如蜗轮增压器部件。
Description
本发明涉及一种轻型耐热耐蚀铁基合金。这种合金具有抗氧化、耐腐蚀、可铸性和高强度等优异性能，并具有低比重和良好拉伸塑性。这类新合金比传统含镍的钢种，如不锈钢、耐热钢和耐热合金要轻20-25％和便宜20-80％。
目前，在耐热结构上最常用的材料是上述含镍的耐热钢、耐热合金和高温合金。然而，由于这类耐热钢、耐热合金和高温合金具有比较高的比重，促使人们寻求一种具有较低比重的耐热材料。正在被研究的陶瓷和有序金属间化合物具有比较低的比重，可望成为目前使用的传统耐热不锈钢和合金的替代材料。遗憾的是，它们都未能同时具备合适的拉伸塑性、高强度和良好的抗氧化性能，而这些综合性能正是高温工程应用所要求的。
由于陶瓷完全没有拉伸塑性，无法发挥其低比重的优点。此外，陶瓷部件一般通过价格昂贵的粉末烧结工艺制备而成。由于陶瓷部件缺乏塑性及价格昂贵，故只能有限地被采用。
低比重有序金属间化合物也未能获得合适的室温拉伸塑性，室温断裂韧度也较低。此外，制备这类材料和加工成部件也要采用比较复杂的工艺技术，从而大大地提高了生产费用。加上较低的室温塑性容易引起传送和加工过程的损伤，从而造成高的部件加工废品率。
有序金属间化合物的一个例子是Fe3Al。纯铁是体心立方(BCC)结构的固溶体，具有很高的塑性。与纯铁不同，Fe3Al是由有序体心立方(BCC)结构构成(一般在室温形成DO3有序结构，而在高温形成B2有序结构)。在这种有序结构中，Fe和Al原子被安排在固定的位置上作规则的排列。Fe3Al具有较低的比重，由于含有较高的铝含量，故在800℃以下具有良好的抗氧化性能。在Fe3Al材料中的铝在氧化性气氛中容易在表面形成一层氧化皮，虽然这层氧化皮并不很坚固，而且在高于800℃时容易起皮。此外，Fe3Al的原材料比较便宜。但Fe3Al很脆，室温拉伸塑性也低，较容易发生沿晶和穿晶断裂。
虽然在Fe3Al中加铬可以有限地改善其拉伸塑性，而且比重也较轻，其密度大约为6.5g/cm3，但是常用的有序Fe-Al-Cr成份却具有较差的高温强度、抗腐蚀能力和抗氧化能力。
所以在此领域中继续努力寻求一种价格不高而又具有低比重、一定塑性，优异的抗氧化性能和优异加工性能的耐热材料是人们追求的目标。特别需要的是一种新的铁基合金，该合金应具有低比重，高强度，合适的拉伸塑性-设定为具有≥5％拉伸延伸率，和优异的抗氧化和耐腐蚀性能。以上提出的目标可以通过在铁-铝体系中加入适量的铬和碳，以获得一种体心立方结构的铁铝铬碳合金来实现。
本发明可立即应用于船舶、卡车和轿车的高速柴油机涡轮增压器。由于柴油机比汽油机具有更好的燃料经济性，所以被广泛采用。在高速柴油机中采用涡轮增压器可以大大提高燃料经济性，提高柴油机的效率和降低污染。世界上大部分工业卡车和10％的轿车(在欧洲达20％，在日本为10％)使用带有涡轮增压器的高速柴油机。一台柴油机涡轮增压器是由压缩机和涡轮机组成。从机械动能考虑，涡轮机是最关键的部件，因为它在高温下运转，如高达650℃，承受由于高速旋转产生的高离心应力，并在氧化和腐蚀气氛中运转。
目前，涡轮增压器的涡轮机采用铁镍基或镍基合金铸成，不但昂贵而且很重。由于重量产生的惯性，涡轮机在达到最有效运转的转速前，需要一定的时间去克服这种惯性，所以重量越重，需要克服的惯性越大，所需要的加速时间越大。明证就是当突然加速时，卡车会出现带黑烟的尾气，这种尾气是当涡轮机达到所需要最佳转速前的加速时间段内燃料没有完全燃烧所造成的。由本发明所指的铁铝铬碳合金所制成的涡轮增压器涡轮机和压缩机可以帮助解决上述铁镍基和镍基涡轮增压器所存在的问题。
本发明的目的是提供新的具有体心立方结构的铁铝固溶体合金，具体为Fe-Al-Cr-C构成的一类轻型耐热材料。
本发明的另一目的是采用常规的工艺技术制备由Fe-Al-Cr-C固溶体相组成的部件或复合材料，而复合材料中每一相都是BCC固溶体，各相的点阵常数基本相同，而形成很好的结构匹配。
本发明的另一目的是采用本发明合金生产出涡轮增压器部件，具体来说是涡轮增压器的涡轮机和压缩机。
本发明主要是关于由体心立方结构的铁铝固溶体，具体为Fe-Al-Cr-C构成的一类材料。这种材料最好含有约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳。这种材料在多晶态下具有优异的性能，这种材料可以通过众所周知的方法获得强化，包括固溶强化、晶粒细化强化、强化相粒子强化等。该材料还可以从固溶体内沉淀析出与其点阵参数基本相同的BCC固溶体粒子而得到强化(沉淀强化)。
本发明材料一直到约1150℃都具有优异的抗氧化能力，而一直到约650℃均可保持优异的机械性能。
附图说明：
图1是一帧三元相图，显示BCC相的相区。
本发明包含一类新的Fe-Al-Cr-C体心立方结构的固溶体合金，这类合金具有低比重(在5.5g/cm3～7.5g/cm3之间，最好为6.1g/cm3)，合适的室温拉伸塑性，优异的高温强度，抗氧化能力和耐腐蚀性能。
所发明的合金最优成份为约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳，其中铝和铬的最佳总量不得少于30at.％。
按照最终性能的要求，可以改变铬含量并划成不同的最佳铬含量范围。例如，铸造材料的最佳范围为约5-20at.％铬，而形变材料(锻造)则适宜于比较低的铬含量，例如，约1-10at.％铬。在本发明中，由粉末X-射线衍射峰的相对强度确定该材料是由BCC相构成。在本发明中，BCC相定义为由单一的BCC相或几种具有基本相同的点阵参数的BCC相组成。在BCC相中出现＜3％非BCC相时仍被定义为BCC相，那就是在BCC相X-射线衍射峰中出现的非BCC峰的强度小于BCC衍射峰的3％时仍确定为BCC相。这个规定只是在确定图1中BCC相边界时才用上，而在边界内只出现BCC衍射峰，而不出现非BCC衍射峰。
本发明材料从室温到约650℃时屈服强度都高于320MPa，而且从室温到约600℃范围屈服强度不但不随温度升高而下降，反而升高或保持不变。对于某些成份，从室温到约600℃材料的屈服强度，随温度的升高而急剧升高。这种现象与常规BCC材料不同，BCC材料的屈服强度一般随温度升高而降低。
该材料可以用下列方法继续强化，(a)引进另一固溶体相，(b)晶粒细化，(c)引进强化相粒子，或(d)在固溶体中加入固溶强化合金元素。
可以通过原有BCC固溶体中沉淀析出另一BCC固溶体粒子进行强化，两固溶体的点阵参数尽量保持一致。
通过加入难熔氧化物粒子可以强化BCC固溶体基体，例如Y2O3粒子。
一个出人意料的发现是，加入一定量的铬和碳，可以把轻比重的铁铝合金从有序BCC结构转变为无序BCC结构的固溶体。此外，还发现碳在本发明材料中的固溶度随着铬含量的增加和铝含量的降低而增加。
此轻比重合金具有合适的室温拉伸塑性。在随后的性能介绍中可以看到，低比重、合适的拉伸塑性和高的高温强度的组合是轻比重耐热结构材料发展中的重大技术突破。
进一步发现常规的工艺技术(如铸造)可以很方便地用来制备各种形状的部件。
一、性能
1．抗氧化性能
本发明材料具有优异的抗氧化性能，以材料在高温下暴露于氧化气氛下的重量变化定义为材料的抗氧化性能好坏。
本发明材料的抗氧化性能优于目前使用的不锈钢、耐热钢、耐热合金和高温合金。具体地说，本材料在1000℃空气中暴露100小时后的失重率只有0.2g/m2天，确信优异的抗氧化性能是由于材料中含有大量的铝和铬。如果需要，还可以在材料中加入稀土元素，以进一步改善其抗氧化性能。
2．强度
由本发明材料成份制备成的部件具有高的高温强度，例如，高达650℃，高于目前使用的不锈钢，大多数耐热钢和耐热合金的高温强度。例如，本发明材料在铸态下，其320MPa屈服强度可以一直保持到650℃。这种合金可以通过常用的强化途径来进一步强化，如晶粒细化强化(例如通过热轧后的再结晶退火，以改变物件的显微组织)，固溶强化(例如在固溶体中固溶入强化合金元素)和第二相粒子强化等。
第二相粒子强化可以由外部加入难熔氧化物，如Y2O3。更好的办法是通过内部原位技术产生第二相粒子强化。例如，通过调整Fe-Al-Cr-C的成份促成从固溶体内部沉淀出第二相强化粒子，这种粒子仍是BCC结构，它们的点阵参数与固溶体匹配很好。在设定成份范围内，通过调整Fe-Al-Cr-C的含量来控制体心立方结构粒子的数量和分布，这些粒子也具有BCC结构，它们的点阵参数与固溶体基体基本一致，显现很好的匹配，从而消除了相界面上由于两相点阵参数不同而产生的应力，保证了高温相(或显微组织)的稳定性。
由于具有优异的抗氧化性能和高的高温强度综合性能，本发明材料已可立即投入使用，即可用于在高达650℃下氧化气氛中运转的载荷部件，也可用于高达1200℃下氧化气氛中服役的无载荷构件。
3．抗腐蚀性能
由本发明材料制成的物件在硝酸溶液中也具有很好的抗腐蚀性能。该材料在室温下，在20％-65％硝酸溶液中的抗腐蚀率为0.01mm/年的失重速率。将该材料按规定的条件测试时，也未发现有晶间腐蚀的迹象。
4．塑性
本发明材料具有合适的室温拉伸塑性，具有很好的高温(高于700℃)拉伸塑性，故具有很好的热加工性能。例如，其室温拉伸延伸率大于5％，900℃左右的拉伸延伸率大于95％。所以本发明材料在高于900℃下很容易被热轧。
5．可铸性
由于本发明材料具有优异的可铸性，例如，其熔体具有低的粘度和高的流动性，所以用常规的熔铸技术即可很容易制备出终形成品铸件。物件可以在可控或保护气氛下，例如在惰性气体或真空下，通过常规感应熔化炉进行熔炼后浇铸而成。
该材料可以很容易铸造成近终形(无余量)物件。这种独特的能力是由于合金熔体的流动性和强化相的特性相结合的结果。实际上，该铸造材料为共晶组织。这种组织结合优异的流动性，保证合金熔体填充到铸件模壳的各个角落，从而铸出近终形(无余量)的物件，这种物件无需最后的精加工即可使用。
根据本发明所制成的物件，可以通过调整浇铸温度进一步优化其显微组织。例如，提高浇铸温度可以细化其第二相尺寸。具体地说，所谓细小显微组织其第二相尺寸应小于50微米，最好是在10-20微米左右。
二、物件(工件)
用真空熔模铸造技术已经铸造出最小壁厚约为0.5mm的物件。该物件是一个涡轮增压器的涡轮机的铸件，它具有优异的高达650℃的高温强度。与目前涡轮增压器采用的铁镍基耐热合金的高温强度相似。然而，由于本发明材料具有较低的比重(约6.1g/cm3)，与目前采用的铁镍基铸造合金(约8.1g/cm3)相比，降低大约25％，其比强度因此高出25％。高的比强度和低的比重可使由本发明材料制成的涡轮增压器涡轮机比铁铸基合金涡轮增压器涡轮机至少轻25％以上。
轻的涡轮增压器涡轮机可以更容易克服惯性，更快地达到最佳运转速度，减少加速时间，从而减少瞬间污染。由于这一效应，加速时间可以缩短至少25％以上，导致加速阶段的燃烧效率比较重的铁镍涡轮增压器更高。事实上，用本发明的轻合金制成的涡轮增压器涡轮机和压缩机将帮助柴油机除了满足稳态废气释放标准外，还能满足瞬间(加速)态的废气释放标准。
除了上述功能效益外，本发明合金比铁镍基合金的材料费用便宜很多，例如至少便宜50％。这个价格上的差别主要是由于在铁镍基合金中含有大量的镍，而在本发明材料中却不含镍。
最后，本合金比铁镍基合金或镍基合金涡轮增压器涡轮机更抗氧化。
三、实施例1
一物件由常规熔炼技术制成，其成份在图1所示范围之内。按此成份配成的原材料在真空下制成合金熔体，并倒进带有物件形状型腔的模壳内，在真空下凝固。该已凝固的铸件在砂箱内和空气中继续冷却至室温形成一铸态物件。然后从模壳中取出该铸态物件，并发现其为Fe-Al-Cr-C的体心立方固溶体，其比重约为6.1g/cm3。
铸态物件的机械性能列于表1。
表1 Fe-Al-Cr-C体心立方合金的机械性能
| 温度(℃) | 0.2％屈服强度σy(MPa) | 抗拉强度σb(MPa) | 拉伸延伸率(％) |
| 室温 | 360 | 500 | 5.3 |
| 200 | 375 | 580 | 5.8 |
| 400 | 364 | 617 | 8.8 |
| 500 | 353 | 600 | 8.7 |
| 600 | 361 | 530 | 8.7 |
| 650 | 324 | 403 | 9.3 |
| 700 | 170 | 247 | 33 |
| 750 | 116 | 168 | 43 |
| 800 | 90 | 112 | 66.7 |
| 900 | 54 | 68 | 95.8 |
| 1000 | 26 | 32 | 39.2 |
如表1所示，本发明材料具有优异的屈服强度和抗拉强度直至650℃，具有良好的塑性，特别是在900℃下。
表2 Fe-Al-Cr-C体心立方合金的抗氧化性能
| 温度(℃) | 空气中暴露100小时后的重量变化率(g/m2/天) |
| 600 | 0.015 |
| 700 | 0.074 |
| 800 | 0.065 |
| 900 | 0.096 |
| 1000 | -0.2 |
| 1100 | -2 |
| 1150 | 0.42 |
如表2所示，本发明材料一直至1150℃几乎都是完全抗氧化的。
表3 Fe-Al-Cr-C体心立方合金的耐腐蚀性能
| 硝酸浓度(％) | 腐蚀率(mm/年) |
| 5 | 0.04 |
| 20 | 0.009 |
| 35 | 0.0084 |
| 50 | 0.0062 |
| 65 | 0.0075 |
如表3所示，本发明材料具有优异的耐腐蚀性能，包括在65％硝酸中的耐腐蚀性能。
Claims (51)
1、一种由Fe-Al-Cr-C体心立方固溶体构成的材料。
2、根据权利要求1所述的材料，具有约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳。
3、根据权利要求2所述的材料，其特征在于Al+Cr的最佳总量至少为30at.％。
4、根据权利要求1所述的材料，其屈服强度从室温至约650℃均大于320MPa。
5、根据权利要求1所述的材料，其材料为多晶体。
6、根据权利要求1所述的材料，可以被以下方法强化：
a、在原有的固溶体内引入另一个固溶体；
b、晶粒细化；
c、引入由一种强化相构成的粒子，或者
d、在固溶体中加入一固溶强化元素。
7、根据权利要求6所述的材料，该材料可以从原固溶体内沉淀析出与其点阵参数基本相同的体心立方固溶体粒子而得到强化。
8、根据权利要求6所述的材料，该材料可以通过加入难熔氧化物粒子，以强化原来的固溶体。
9、根据权利要求8所述的材料，难熔氧化物粒子为Y2O3。
10、根据权利要求1所述的材料，该材料的比重约为5.5至7.5g/cm3。
11、根据权利要求10所述的材料，该材料的比重约为6.1g/cm3。
12、根据权利要求1所述的材料，该材料的屈服强度从室温至约600℃保持不变或随温度上升而增加。
13、根据权利要求1所述的材料，该材料在温度高至约1150℃范围内，基本上没有因氧化而产生重量变化。
14、根据权利要求1所述的材料，该材料在约900℃的拉伸塑性大于95％。
15、一复合材料由多个Fe-Al-Cr-C固溶体相组成，其中每个固溶体相都是体心立方单相固溶体，具有约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳。
这些固溶体具有基本相同的点阵常数。
16、一多晶Fe-Al-Cr-C固溶体具有约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳。
17、根据权利要求16所述的多晶固溶体，其Al+Cr的最佳总量至少为30at.％。
18、根据权利要求16所述的多晶固溶体，该多晶固溶体可以通过沉淀析出另一个体心立方固溶体粒子进行强化。
19、根据权利要求18所述的多晶固溶体，该多晶固溶体通过沉淀析出另一个体心立方固溶体粒子得到强化，该粒子具有与原基体固溶体基本相同的点阵常数。
20、根据权利要求16所述的多晶固溶体，其被加入的难熔氧化物粒子所强化。
21、根据权利要求20所述的多晶固溶体，难熔氧化物为Y2O3。
22、一个由Fe-Al-Cr-C体心立方固溶体所构成的物件。
23、根据权利要求22所述的物件具有约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳。
24、根据权利要求23所述的物件，其Al+Cr的最佳总量至少为30at.％。
25、根据权利要求23所述的物件，该物件具有约5.5g/cm至约7.5g/cm的比重范围。
26、根据权利要求25所述的物件，其比重约为6.1g/cm2。
27、根据权利要求22所述的物件，可在温度高至约650℃范围内承受载荷。
28、根据权利要求27所述的物件，在温度高至约650℃范围内，其屈服强度大于320MPa。
29、根据权利要求22所述的物件，其屈服强度从室温至约600℃保持不变，或随温度上升而增加。
30、根据权利要求22所述的物件，其在温度高至约1150℃范围内基本上没有因氧化而产生重量变化。
31、根据权利要求22所述的物件，其约900℃的拉伸塑性大于95％。
32、一种制造权利要求22所述的物件的方法，该方法为：
在控制气氛下熔化约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳的成份来形成Fe-Al-Cr-C合金熔体，在控制气氛下将该合金熔体浇入一模壳，该模壳具有该物件形状的型腔，将该合金熔体冷却至室温，形成一固体铸态物件，然后将该固体铸态物件从该模壳中取出。
33、根据权利要求32所述的方法，控制气氛为惰性气体或真空。
34、一种强化权利要求1所述材料的方法，该方法包含在原有体心立方固溶体中沉淀析出另一个体心立方固溶体粒子，该粒子具有与原固溶体基体基本相同的点阵常数。
35、根据权利要求34所述的强化方法，该方法涉及通过调整Fe、Al、Cr、C的数量来调整在固溶基体中析出的体心立方固溶体粒子的数量和分布。
36、一涡轮增压器部件由Fe-Al-Cr-C体心立方固溶体构成。
37、根据权利要求36所述的涡轮增压器部件具有约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳。
38、根据权利要求37所述的涡轮增压器部件，其Al+Cr的最佳总量至少为30at.％。
39、根据权利要求36所述的涡轮增压器部件，可在温度高至约650℃范围内承受载荷。
40、根据权利要求39所述的涡轮增压器部件，在温度高至约650℃范围内，其屈服强度大于320MPa。
41、根据权利要求36所述的涡轮增压器部件，其屈服强度从室温至约600℃保持不变，或随温度上升而增加。
42、根据权利要求36所述的涡轮增压器部件，其比重在约5.5g/cm3至约7.5g/cm3范围。
43、根据权利要求42所述的涡轮增压器部件，其比重约为6.1g/cm3。
44、根据权利要求36所述的涡轮增压器部件，在固溶体基体中沉淀析出另一体心立方固溶体粒子，并得到强化，该粒子具有与固溶体基体基本相同的点阵常数。
45、根据权利要求36所述的涡轮增压器部件是一个涡轮机。
46、根据权利要求45所述的涡轮增压器的涡轮机，其叶片最薄厚度为0.5mm。
47、根据权利要求36所述的涡轮增压器部件是一个压缩机。
48、一种制造涡轮增压器部件的方法，包括
在控制气氛下熔化约10-80at.％铁，约10-45at.％铝，约1-70at.％铬及约0.9-15at.％碳的成份来形成Fe-Al-Cr-C合金熔体；
在控制气氛下将该合金溶体浇入一模壳，该模壳有该涡轮增压器部件形状的型腔；将该合金熔体冷却至室温，形成一固体铸态涡轮增压器部件，然后将该固体铸态涡轮增压部件从该模壳中取出。
49、根据权利要求48所述的方法，按该方法制成的铸态涡轮增压器部件在使用前无需进一步加工。
50、根据权利要求48所述的方法，该方法所指涡轮增压器部件为一涡轮机。
51、根据权利要求48所述的方法，该方法所指涡轮增压器部件为一压缩机。
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