本發明屬于鎳鋁基共晶合金及其制備
技術領域：
，涉及一種制備組織熱穩定性優良的鎳鋁鉻鉬共晶合金的方法。
背景技術：
：金屬間化合物因其優異的性能被認為是下一代高溫結構材料，如TiAl、NiAl、Ni3Al和FeAl等，其中NiAl及以其為基體的共晶合金具有熔點高、密度低、導熱性好和優異的抗氧化性能等優點，如NiAl-Cr(Mo)共晶合金的熔點達1450℃，較一般鎳基高溫合金的初熔溫度高190℃；密度為6.27g/cm3，僅為一般鎳基高溫合金的70％；導熱率大，在100～1200℃溫度范圍為29～47W/m·k，是一般鎳基高溫合金的2-4倍，且在1000～1200℃溫度范圍均屬于抗氧化級。因此，NiAl及以其為基體的共晶合金有望成為替代鎳基高溫合金應用于航空發動機熱端部件的新一代理想的高溫結構材料。美國GE公司研制的NiAl單晶合金(AFN-20)性能優異，用于制作航空發動機渦輪葉片，并已順利通過地面試車。近年來科研人員對NiAl合金做了大量的研究以進一步提高合金性能，如美國田納西大學、NASA和洛斯阿拉莫斯國家實驗室等大學和機構以合金化的方式向NiAl合金中引入強化第二相，形成了NiAl-Cr和NiAl-Mo棒狀共晶合金以及NiAl-Cr(Mo)、NiAl-V、NiAl-Nb和NiAl-Ta層片共晶合金。通過對比發現NiAl-Cr(Mo)共晶合金具有較好的綜合性能，有可能應用于航空發動機熱端部件，但是中科院金屬研究所盛立遠、郭建亭等人研究發現，快速凝固制備的NiAl-Cr(Mo)共晶合金的層片組織細小，在高溫環境下易發生粗化，而且西北工業大學王雷等人也發現，NiAl-Cr(Mo)共晶合金高溫熱處理后，出現層片粗化以及局部溶解等不穩定現象，由此可見該合金的高溫組織穩定性較差。高溫環境下層片共晶合金組織穩定性差的主要原因是，層片間距較小，易于原子的擴散，且單位體積內總界面面積大，界面自由能大，即粗化驅動力大，組織容易發生粗化甚至球化，因而組織的熱穩定性較差。技術實現要素：本發明的目的是提供一種制備具有優良熱穩定性組織的NiAl-Cr(Mo)共晶合金的方法，解決了現有技術制備的NiAl-Cr(Mo)共晶合金組織熱穩定性差所導致的性能不穩定、高溫強度顯著降低、合金使用壽命縮減等問題，通過該方法制備的合金的組織熱穩定性顯著提高，從而提升了該合金的綜合性能，進而有可能應用于航空發動機熱端部件。本發明所采用的技術方案是，一種制備組織熱穩定性優良的鎳鋁鉻鉬共晶合金的方法，具體按照以下步驟實施：步驟1，原料配比；步驟2，對金屬原料進行前處理；步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償；步驟4，熔煉；步驟5，進行定向凝固處理。本發明的特點還在于，所述的步驟1具體為：選用純度為99.9～99.96wt％的Ni塊、99.9～99.99wt％的高純Al棒、99.7～99.9wt％的Cr片、99.9～99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-(34-x)Cr-xMo(2≤x≤8)的原子百分比的成分進行配比。步驟2具體為：對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3具體為：對Al質量需補償2.9～3.1wt％，Cr質量需補償0.45～0.55wt％。步驟4具體為：將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到6×10-3Pa以上并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。步驟4中進行熔煉步驟時的熔煉參數為：熔煉溫度為1650～1750℃，熔煉時間為10～15min。步驟5具體為：將母合金進行切割后放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空并往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1600～1700℃，保溫20～30min后，在該溫度下進行抽拉，制備出具有優良熱穩定性組織的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。抽真空的具體要求為，抽真空至6.6×10-3Pa以上。抽拉速率為0μm/s<V抽≤3.5μm/s。本發明的有益效果是，采用液態金屬冷卻定向凝固法制備NiAl-Cr(Mo)兩相層片共晶合金，并在定向凝固過程中通過控制抽拉速率來調節層片間距，使得層片間距λ≥2.95μm，遠遠大于普通鑄造組織的層片間距(胞心層片間距為0.53μm)，進而使得該合金組織具有優良的熱穩定性。附圖說明圖1是定向凝固抽拉速率為2.5μm/s時制備出的組織熱穩定性優良的合金在熱處理前后的對比圖，圖1(a)為鑄態組織，圖1(b)為熱處理組織；圖2是定向凝固抽拉速率為4.5μm/s時制備出的組織熱穩定性差的合金在熱處理前后的對比圖，圖2(a)為鑄態組織，圖2(b)為熱處理組織；圖3是定向凝固抽拉速率為160μm/s時制備出的組織熱穩定性差的合金在熱處理前后的對比圖，圖3(a)為鑄態組織，圖3(b)為熱處理組織；圖4是普通鑄造制備出的組織熱穩定性差的合金在熱處理前后的對比圖，圖4(a)為鑄態組織，圖4(b)為熱處理組織。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。一種制備組織熱穩定性優良的鎳鋁鉻鉬共晶合金的方法，具體按照以下步驟實施：步驟1，原料配比：選用純度為99.9～99.96wt％的Ni塊、99.9～99.99wt％的高純Al棒、99.7～99.9wt％的Cr片、99.9～99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-(34-x)Cr-xMo(2≤x≤8)的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償2.9～3.1wt％，Cr質量需補償0.45～0.55wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到6×10-3Pa以上并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1650～1750℃，熔煉時間為10～15min。步驟5，通過電火花線切割將母合金試樣切出直徑稍小于坩堝直徑的棒狀鑄件，然后將鑄件放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空至6.6×10-3Pa以上，往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1600～1700℃，保溫20～30min后，在該溫度下，按照0μm/s<V抽≤3.5μm/s的速率進行抽拉，制備出具有優良熱穩定性組織的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。為了測試該方法制備的合金的組織熱穩定性，對所制得的合金進行1150℃/400h的熱處理。若組織仍舊排列良好，同熱處理前組織對比無明顯變化，則表明該合金組織的熱穩定性好；若組織中出現常見的粗化、球化等組織失穩現象，則表明該合金的組織熱穩定性差。本發明的方法是，采用液態金屬冷卻定向凝固法制備NiAl-Cr(Mo)共晶合金，合金組織為黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相組成的全共晶層片組織。在定向凝固過程中通過控制抽拉速率來調節層片間距，使得層片間距λ≥2.95μm，遠遠大于普通鑄造組織的層片間距(胞心間距為0.53μm)，進而使得該合金組織具有優良的熱穩定性。進一步地，上述抽拉速率范圍為0μm/s<V抽≤3.5μm/s，因為在定向凝固過程中，層片間距λ與抽拉速率V的平方根成反比(λ∝V-1/2)，即抽拉速率越小，層片間距越大。而層片間距越大，越不利于原子擴散，粗化驅動力越小，進而使得該共晶合金的組織熱穩定性越好。進一步地，上述目標合金熱穩定性好具體體現在：對該合金進行1150℃高溫熱處理，長時間后該合金的組織與鑄態組織相比無明顯變化，說明這種組織的熱穩定性優良，能夠保證該合金在高溫下長期作業時性能的穩定以及使用壽命的提高。實施例1一種組織熱穩定性優良的鎳鋁鉻鉬共晶合金通過以下方法制備：步驟1，原料配比：選用純度為99.96wt％的Ni塊、99.99wt％的高純Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償2.9wt％，Cr質量需補償0.45wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到5.9×10-3Pa并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1750℃，熔煉時間為15min。步驟5，通過電火花線切割將母合金試樣切出直徑為6.9mm的棒狀鑄件，然后將鑄件放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空至6.5×10-3Pa，往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1650℃，保溫25min后，在該溫度下，按照2.5μm/s的速率進行抽拉，制備出具有優良熱穩定性組織的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。對所得合金進行1150℃/400h的熱處理，測試該合金的組織熱穩定性。測試結果如說明書附圖1所示，從圖中可以看出，該方法制備的合金組織，為黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相組成的共晶層片組織，且具有較大的層片間距(3.69μm)，如圖1a所示；熱處理后組織未發生明顯變化(圖1b)，即該方法制備的合金的組織熱穩定性優良。實施例2一種組織熱穩定性優良的鎳鋁鉻鉬共晶合金通過以下方法制備：步驟1，原料配比：選用純度為99.96wt％的Ni塊、99.99wt％的高純Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-32Cr-2Mo的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償3.0wt％，Cr質量需補償0.5wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1700℃，熔煉時間為13min。步驟5，通過電火花線切割將母合金試樣切出直徑為6.8mm的棒狀鑄件，然后將鑄件放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空至6.4×10-3Pa，往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1600℃，保溫30min后，在該溫度下，按照3.0μm/s的速率進行抽拉，制備出具有優良熱穩定性組織的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。對所得合金進行1150℃/400h的熱處理，測試該合金的組織熱穩定性。測試結果與說明書附圖1類似，該方法制備的合金組織具有較大的層片間距(3.24μm)，熱處理后層片組織未發生明顯變化，即該方法制備的合金的組織熱穩定性優良。實施例3一種組織熱穩定性優良的鎳鋁鉻鉬共晶合金通過以下方法制備：步驟1，原料配比：選用純度為99.96wt％的Ni塊、99.99wt％的高純Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-26Cr-8Mo的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償3.1wt％，Cr質量需補償0.55wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到5.7×10-3Pa并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1680℃，熔煉時間為14min。步驟5，通過電火花線切割將母合金試樣切出直徑為6.9mm的棒狀鑄件，然后將鑄件放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空至6.4×10-3Pa，往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1680℃，保溫25min后，在該溫度下，按照3.5μm/s的速率進行抽拉，制備出具有優良熱穩定性組織的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。對所得合金進行1150℃/400h的熱處理，測試該合金的組織熱穩定性。測試結果與說明書附圖1類似，該方法制備的合金組織具有較大的層片間距(2.95μm)，熱處理后組織未發生明顯變化，即該方法制備的合金的組織熱穩定性優良。對比例1一種普通的鎳鋁鉻鉬共晶合金通過以下方法制備：步驟1，原料配比：選用純度為99.96wt％的Ni塊、99.99wt％的高純Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償3.0wt％，Cr質量需補償0.53wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1740℃，熔煉時間為15min。步驟5，通過電火花線切割將母合金試樣切出直徑為6.9mm的棒狀鑄件，然后將鑄件放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空至6.2×10-3Pa，往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1620℃，保溫28min后，在該溫度下，按照4.5μm/s的速率進行抽拉，制備出NiAl-Cr(Mo)共晶合金。對所得合金進行1150℃/400h的熱處理，測試該合金的組織熱穩定性。測試結果如說明書附圖2所示，可以看出，該方法制備的合金組織，為黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相組成的共晶層片組織，且具有較小的層片間距(2.57μm)，熱處理后灰白色的Cr(Mo)相發生夾斷以及團聚長大等失穩現象(圖2b)，即該方法制備的合金的組織熱穩定性差。對比例2一種普通的鎳鋁鉻鉬共晶合金通過以下方法制備：步驟1，原料配比：選用純度為99.96wt％的Ni塊、99.99wt％的高純Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償2.9wt％，Cr質量需補償0.50wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1660℃，熔煉時間為15min。步驟5，通過電火花線切割將母合金試樣切出直徑為6.7mm的棒狀鑄件，然后將鑄件放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空至6.4×10-3Pa，往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1660℃，保溫30min后，在該溫度下，按照160μm/s的速率進行抽拉，制備出NiAl-Cr(Mo)共晶合金。對所得合金進行1150℃/400h的熱處理，測試該合金的組織熱穩定性。測試結果如說明書附圖3所示，可以看出，該方法制備的合金組織，為黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相組成的共晶層片組織，且具有較小的層片間距(0.57μm)，如圖3a所示；熱處理后部分灰白色的Cr(Mo)相發生夾斷、團聚長大、粗化以及球化等失穩現象(圖3b)，即該方法制備的合金的組織熱穩定性差。對比例3一種普通的鎳鋁鉻鉬共晶合金通過以下方法制備：步驟1，原料配比：選用純度為99.96wt％的Ni塊、99.99wt％的高純Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-29Cr-5Mo的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償2.9wt％，Cr質量需補償0.45wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到5.9×10-3Pa并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1650℃，熔煉時間為15min。步驟5，通過電火花線切割將母合金試樣切出直徑為6.8mm的棒狀鑄件，然后將鑄件放入剛玉坩堝內，然后將剛玉坩堝固定在定向凝固爐的結晶器上；將定向凝固爐膛抽真空至6.4×10-3Pa，往爐膛內充入高純氬氣，升溫至1630℃，保溫30min后，在該溫度下，按照160μm/s的速率進行抽拉，制備出NiAl-Cr(Mo)共晶合金。對所得合金進行1150℃/400h的熱處理，測試該合金的組織熱穩定性。測試結果與說明書附圖3類似，該方法制備的合金組織，為黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相組成的共晶層片組織，且具有較小的層片間距(0.57μm)，熱處理后部分灰白色的Cr(Mo)相發生夾斷、團聚長大、粗化以及球化等失穩現象，即該方法制備的合金的組織熱穩定性差。對比例4一種普通的鎳鋁鉻鉬共晶合金通過以下方法制備：步驟1，原料配比：選用純度為99.96wt％的Ni塊、99.99wt％的高純Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo絲，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分進行配比。步驟2，對金屬原料進行前處理，對Mo絲和Ni塊進行打磨，并對Al棒進行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步驟3，在熔煉前對Al和Cr進行質量補償，具體來說，對Al質量需補償3.0wt％，Cr質量需補償0.50wt％。步驟4，將待熔煉的金屬原料放入熔煉設備中，并將爐腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高純氬氣；然后進行熔煉后澆鑄成普通鑄造母合金；所述的熔煉設備為高真空非自耗感應熔煉爐。所述的熔煉參數為：熔煉溫度為1720℃，熔煉時間為13min。對所得合金進行1150℃/48h的熱處理，測試該合金的組織熱穩定性。結果如說明書附圖4所示，可以看出，該方法制備的合金組織，為黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相組成的共晶層片組織，且具有較小的層片間距(胞心層片間距為0.53μm)，如圖4a所示；熱處理僅48h后灰白色的Cr(Mo)相發生明顯夾斷(圖4b)，即該方法制備的合金的組織熱穩定性差。上述實施例和對比例的參數以及相應的熱穩定性測試結果如表1所示，表1NiAl-Cr(Mo)共晶合金熱穩定性改進結果項目合金名稱制備工藝抽拉速率熱處理工藝穩定性情況實施例1NiAl-28Cr-6Mo定向凝固2.5μm/s1150℃/400h穩定性好實施例2NiAl-32Cr-2Mo定向凝固3.0μm/s1150℃/400h穩定性好實施例3NiAl-26Cr-8Mo定向凝固3.5μm/s1150℃/400h穩定性好對比例1NiAl-28Cr-6Mo定向凝固4.5μm/s1150℃/400h穩定性差對比例2NiAl-28Cr-6Mo定向凝固160μm/s1150℃/400h穩定性差對比例3NiAl-29Cr-5Mo定向凝固160μm/s1150℃/400h穩定性差對比例4NiAl-28Cr-6Mo普通鑄造無1150℃/48h穩定性差當前第1頁1 2 3