專利名稱：：一種W改性的NiAl－Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物，所述金屬間化合物中存在有NiAl相、Cr(Mo)相和W相。
背景技術(shù)：
：目前，在動力、石化、運輸、特別是航空及航天等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在60CTC以上的金屬結(jié)構(gòu)材料通常為鎳基、鐵基和鈷基髙溫合金。這些材料具有較高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的構(gòu)件和設(shè)備重量大，為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，必須開發(fā)低密度、高比強的新型髙溫合金以適應(yīng)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域未來發(fā)展的需要。更為迫切的是目前以Ni基、Co基為代表的高溫合金由于受到熔點的限制，已接近其使用的極限溫度。即使是加入了大量貴金屬的三代高溫合金單晶，其使用溫度也不超過IIO(TC。為滿足新一代燃氣渦輪發(fā)動機的需求，急需開發(fā)承溫能力為115(TC的高溫結(jié)構(gòu)材料。B2結(jié)構(gòu)長程有序NiAl的熔點高達1638°C，比鎳基高溫合金高300~350°C,使用溫度可望達到1250°C;其密度5.86g/cms僅為鎳基高溫合金的2/3，合金化后的密度為6.0g/crr^左右，從而可有效地提高比強度，降低工件重量；NiAl的導(dǎo)熱率大，為一般鎳基高溫合金的48倍，可使得熱端部件的溫度梯度減小，從而降低熱應(yīng)力，提高冷熱疲勞性能；此外，NiAl還具有優(yōu)異的抗氧化性能。但是NiAl的常溫塑性小于1%，斷裂韌性為35MPa'V^，高溫IOOCTC屈服強度為小于lOOMPa，嚴重的限制了其實用化的運用。原位自生復(fù)合材料技術(shù)是解決材料室溫脆性和高溫強度問題的有效途徑之一。通過添加過渡族元素，如Cr、Mo、V、W等，可與NiAl形成偽二元共晶系，利用其內(nèi)生的難熔金屬相可使得強度提高、斷裂韌性增加。共晶組織的層片狀組織非常細小，層間距相距只有十分之幾至幾個微米，位錯的平均自由程很小，在相與相之間的釘扎導(dǎo)致Hal1-Petch型強化；另夕卜，共晶合金中的塑性相與NiAl脆性相中的裂紋能夠產(chǎn)生交互作用，直觀的表現(xiàn)為裂紋橋接，裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋鈍化，使得NiAl偽共晶合金的韌性得到提高。如NiAl-Cr(Mo)共晶的斷裂韌性為1722M戶fl，V^，其抗沖擊性能也好于AFN-12。但是，NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的高溫強度改善不大，仍然無法滿足新一代燃氣渦輪發(fā)動機在115crc環(huán)境下的使用要求，進行進一步的成份設(shè)計和組織設(shè)計，是提高NiAl金屬間化合物綜合性能的有效途徑。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，通過在NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的共晶點附近的成分范圍內(nèi)，降低A1元素含量、添加W元素進行改性，以及W元素與NiAl形成偽二元共晶相，在室溫塑性和韌性較好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上，引入適當(dāng)?shù)腤相來進一步提高共晶合金的高溫強度和室溫塑性。以此開發(fā)出新型的低密度、高比強度的髙溫115CTC結(jié)構(gòu)金屬間化合物，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，從而帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益以及滿足新一代燃氣渦輪發(fā)動機用合金需達到承溫能力115CTC的要求。本發(fā)明是一種W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，由純度99.999%的鎳(Ni)、純度99.999°/0的鋁(Al)、純度99.999%的鉻(Cr)、純度99.999%的鉬(Mo)以及純度99.999%的鴿(W)組成，成分范圍為33at。/。的Ni，30atQ/o的Cr,4at冗的Mo，1~13at^的W和余量的Al。所述W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，可以是33Ni-30A1-30Cr-4Mo-3W或者33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5W或者33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8W或者33Ni-23Al-30Cr-4Mo畫IOW。本發(fā)明W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的優(yōu)點在于(1)適當(dāng)降低Al元素含量并添加W元素對NiAl-Cr(Mo)雙相合金進行了改性，通過W元素與NiAl形成偽二元共晶相，在室溫塑性和韌性較好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)腤相來進一步提高共晶合金的高溫強度和室溫塑性，以此形成在室溫和高溫都具有較好綜合性能的新型結(jié)構(gòu)金屬間化合物。(2)W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的密度為6.87.8g/cm3。(3)W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物在25。C時的屈服強度為1200~1900MPa，比未改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金提高40%~110%。在1150。C時的屈服強度達到110200MPa。(4)W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的壓縮塑性大于15%,比未改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金提高15%。圖1是33Ni-23A1-30Cr扁4Mo-10W金屬間化合物在25。C、600°C、800°C、115CTC下的壓縮實驗結(jié)果。圖2是33Ni-30A1-30Cr-4Mo-3W金屬間化合物在25°C、,°C、1150。C下的壓縮實驗結(jié)果。圖3是33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5W金屬間化合物在25°C、800°C、1150。C下的壓縮實驗結(jié)果。圖4是33Ni-25A1-30Cr-4Mo-8W金屬間化合物在25。C、800°C、1150。C下的壓縮實驗結(jié)果。圖5絲經(jīng)改性的33Ni-33Al-30Cr-4Mo雙相共晶合金在25。C、600°C、800°C、115(TC下的壓縮實驗結(jié)果。圖中，25。C屈服強度為1100M>a，壓縮塑性大于11%;600。C屈服強度為700il//>"，壓縮塑性大于43%;80(TC屈服強度為500M尸"，壓縮塑性大于55%;其115CTC屈服強度為100MP"。具體實施方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明是一種W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，是針對NiAl金屬間化合物的室溫脆性和高溫強度問題，在NiAl雙向共晶合金的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種W元素改性的新型高溫高比強的雙相共晶基合金，該合金能替代傳統(tǒng)高溫合金，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低能耗并帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益，以及進一步滿足新一代燃氣渦輪發(fā)動機用合金需達到承溫能力115CTC的要求。本發(fā)明W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，所需原料由純度99.999%的鎳(Ni)、純度99.999%的鋁(Al)、純度99.999%的鉻(Cr)、純度99.999%的鉬(Mo)以及純度99.999%的鎢(W)組成，成分范圍為33at。/o的Ni，30aty。的Cr,4at乂的Mo，113aty。的W和余量的Al。本發(fā)明的33Ni-20~32Al-30Cr-4Mo-l13W金屬間化合物采用真空電弧熔煉法制備，該方法是將按比例稱取的原料放入非自耗真空電弧爐中熔煉鑄錠，真空度1X10-3~5X10—3Pa,熔煉溫度3500X:3800。C，翻煉36次，原料熔煉均勻即可。其制備過程中，通過改變合金中鋁(Al)元素的含量并同時添加相應(yīng)含量的鎢(W)元素來控制合金的室溫和高溫力學(xué)性能。將制得的金屬間化合物錠材進行力學(xué)性能分析(一)采用線切割方法切取樣品進行組份分析，通過精確測量樣品的質(zhì)量和體積，計算金屬間化合物的密度為6.8~7.8g/cm3，樣品為直徑6mm，長度9mm的圓柱體。(二)采用材料力學(xué)實驗機(MTS)進行25X:和高溫力學(xué)性能的測試25C屈服強度為12001900MPa，比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高40%~110%;壓縮塑性大于15。/。，比未改性的NiA1-Cr(Mo)共晶合金提高15。/0。釆用Instrons設(shè)備進行高溫115(TC力學(xué)性能的測試，實驗樣品為直徑6mm,長度9mm的圓柱體；其屈服強度為110200MPa。(三)采用材料力學(xué)實驗機(MTS)進行25'C材料斷裂韌性的測試，實驗樣品為6mmX6mmX30mm的方柱體，測試時的應(yīng)變速率為0.02mm/min，斷裂韌性值為510MPa*m1/2。本發(fā)明金屬間化合物通過在其共晶點附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量并添加W元素X矛NiAl-Cr(Mo)雙相合金進行了改性，通過W元素與NiAl形成偽二元共晶相，在室溫塑性和韌性較好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)腤相來進一步提高共晶合金的高溫強度和室溫塑性，以此形成在室溫和高溫都具有較好綜合性能的if型結(jié)構(gòu)金屬間化合物。本發(fā)明開發(fā)出一種新型的低密度、高比強度的金屬間化合物，可以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高效率，降低能源消耗，從而帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益以及滿足新一代燃氣渦輪發(fā)動機用合金需達到承溫能力115(TC的要求。實施例1:制33M-23A1-30Cr-4Mo-10W金屬間化合物按照成分為33Ni-23Al-30Cr-4Mo-lOW(原子百分比)進行配料，其原材料的純度均為99.999%。采用非自耗真空電弧爐熔煉33Ni-23Al-30Cr-4Mo-10W合金鑄錠，真空度5XlO_3Pa,熔煉溫度3500X:，翻煉6次，原料熔煉均勻即可。將制得的金屬間化合物棒材釆用高溫?zé)崽幚頎t在1200。C下保溫12小時后隨爐冷卻至室溫。釆用線切割方法從熱處理后的33Ni-23Al-30Cr-4Mo-10W錠材上切取直徑6mm，高度9mm的圓柱體樣品以及6mmX6mmx30mm的方柱體進行力學(xué)性能測試。采用1111型精確度為10、的電子天平測量樣品的質(zhì)量M，使用精確度為10-2mm的游標卡尺測量樣品的端面直徑D和長度L，采用公式p=4MxD-2X(兀L)"計算33M-23A1-30Cr-4Mo-lOW金屬間化合物密度p(公式中n為圓周率)，其密度為7.61g/cm3。請參見圖1所示，采用MTS-880型萬能材料實驗機進行力學(xué)性能測試，25°C屈服強度為1380MPa，壓縮塑性大于30%;600"C屈服強度為600MPa，壓縮塑性大于50%;800。C屈服強度為400MPa，壓縮塑性大于50%;1150'C屈服強度為145MPa。實施例2:制33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3W金屬間化合物按照成分為33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3W(原子百分比)進行配料，其原材料的純度均為99.999%。釆用非自耗真空電弧爐熔煉33Ni-30A1-30Cr-4Mo-3W合金鑄錠，真空度4X10—3Pa，熔煉溫度370(TC,翻煉4次，原料熔煉均勻即可。將制得的金屬間化合物棒材采用高溫?zé)崽幚頎t在1200。C下保溫12小時后隨爐冷卻至室溫。33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3W金屬間化合物的力學(xué)性能測試條件與實施例1相同，其密度為7.02g/cm3;參見圖2所示，圖中，25。C屈服強度為1300MPa，壓縮塑性大于15%;80CTC屈服強度為280MPa,壓縮塑性大于50%;115(TC屈服強度為120MPa。實施例3:制33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5W金屬間化合物按照成分為Ni-28A1-30Cr-4Mo-5W(原子百分比)進行配料，其原材料的純度均為99.999%。釆用非自耗真空電弧爐熔煉33Ni-28A1-30Cr-4Mo-5W合金鑄錠，真空度3x10—3Pa,熔煉溫度380(TC，翻煉4次，原料熔煉均勻即可。將制得的金屬間化合物棒材釆用高溫?zé)崽幚頎t在1200。C下保溫12小時后隨爐冷卻至室溫。釆用線切割方法從熱處理后的33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5W錠材上切取直徑6mm，高度9mm的圓柱體樣品以及6mmX6mmX30mm的方柱體進行力學(xué)性能測試。33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5W金屬間化合物的力學(xué)性能測試條件與實施例1相同，其密度為7.30g/cm^參見圖3所示，圖中，在25。C時的屈服強度為1320MPa,壓縮塑性大于17%;80(TC屈服強度為310MPa，壓縮塑性大于50%;115(TC屈服強度為130MPa。實施例4:制33Ni-25A1-30Cr-4Mo-8W金屬間化合物按照成分為33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8W(原子百分比)進行配料，其原材料的純度均為99.999%。采用非自耗真空電弧爐熔煉33M-25Al-30Cr-4Mo-8W合金鑄錠，真空度4X10_3Pa,熔煉溫度350(TC,翻煉5次，原料熔煉均勻即可。將制得的金屬間化合物棒材釆用高溫?zé)崽幚頎t在1200。C下保溫12小時后隨爐冷卻至室溫。33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8W金屬間化合物的力學(xué)性能測試條件與實施例1相同，其密度為7.51g/cm3;參見圖4所示，圖中，25。C屈服強度為1550MPa,壓縮塑性大于20%;800。C屈服強度為380MPa,壓縮塑性大于50%;1150。C屈服強度為135MPa。下表為不同組份的金屬間化合物在真空度4XlO_3i^、熔煉溫度3600°C、翻煉5次條件下的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本發(fā)明人通過在33Ni-20~32Al-30Cr-4Mo-l13W金屬間化合物共晶點附近的成分范圍內(nèi)，適當(dāng)降低Al元素含量并添加W元素對NiAl-Cr(Mo)雙相合金進行了改性，通過W元素與NiAl形成偽二元共晶相，在室溫塑性和韌性較好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上，引入適當(dāng)?shù)腤相來進一步提高共晶合金的高溫強度和室溫塑性。權(quán)利要求1、一種W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物由純度99.999％的鎳(Ni)、純度99.999％的鋁(Al)、純度99.999％的鉻(Cr)、純度99.999％的鉬(Mo)以及純度99.999％的鎢(W)組成，成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，1～13at％的W和余量的Al。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3W。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的W改性的NiA1-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5W。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是33Ni-25Al_30Cr-4Mo-8W。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物是33Ni-23Al-30Cr-4Mo-10W。6、根據(jù)^(利要求1所述的W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于所述金屬間化合物中存在有NiAl相、Cr(Mo)相和W相。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于金屬間化合物密度為6.87.8g/cm、在25。C時的屈服強度為1200~1900MPa，壓縮塑性大于15%;在1150。C時的屈服強度為110200MPa。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其特征在于金屬間化合物在大氣氣氛中，經(jīng)過1150'C等溫氧化IOOA,單位面積增重為46附g/cw2。9、一種制備如權(quán)利要求1所述的W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的方法，其特征在于將按Ni33Al2。^Cr加Mo4Ww3成分稱取的原料放入非自耗真空電弧爐中熔煉鑄錠，真空度為1X10-35X10_3Pa，熔煉溫度3500°C3800°C,翻煉36次，原料熔煉均勻即可。全文摘要本發(fā)明公開了一種W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，其成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，1～15at％的W和余量的Al。通過在NiAl-Cr(Mo)雙相共晶的共晶點附近的成分范圍內(nèi)，降低Al元素含量、添加W元素進行改性，以及W元素與NiAl形成偽二元共晶相，在室溫塑性和韌性較好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上，引入適當(dāng)?shù)腤相來進一步提高共晶金屬間化合物的高溫強度和室溫塑性。本發(fā)明W改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的密度為6.8～7.8g/cm³，在1150℃時的屈服強度為110～200MPa。文檔編號C22C30/00GK101148731SQ200710176119公開日2008年3月26日申請日期2007年10月19日優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日發(fā)明者劉先斌,宮聲凱,張志剛,徐惠彬,湯林志申請人:北京航空航天大學(xué)