專利名稱：一種金屬間化合物的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬間化合物的制備方法。
技術(shù)背景目前已有的金屬間化合物制備方法中，熔鑄冶金法工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品成本低，生產(chǎn)效率高， 但這種方法獲得的材料鑄態(tài)組織晶粒粗大，成分易偏析。粉末冶金與微粒燃燒合成法有效地 改善了金屬間化合物的力學(xué)性能，但成本較高，且難于制備大型塊體，不適于規(guī)?；I(yè)生 產(chǎn)。熔融金屬鑄造成形技術(shù)可得到非常穩(wěn)定的Ti-Al金屬間化合物，其缺點(diǎn)在于制備的金屬 間化合物存在明顯的各向異性?？焖倌谭ㄖ荒苤苽浜穸葹?0~5(Vm的金屬間化合物薄帶。 SHS原位合成技術(shù)改善了 Ni/Al金屬間化合物的脆性和斷裂韌性，但該工藝獲得的金屬間化 合物材料的均勻性不很理想，且對(duì)真空度等工藝條件要求非常嚴(yán)格。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有金屬間化合物制備技術(shù)存在的不足，提供一種工藝流程合理、 周期短；制品性能可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及有效控制，制品規(guī)格完整，適于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)高性能金 屬間化合物的制備方法。并能獲得較大尺寸的具有晶粒細(xì)化特征的金屬間化合物板材，解決 金屬間化合物材料不易成型的難題。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是以金屬箔材為原料，按如下工藝步驟進(jìn)行(1) 先確定金屬間化合物類型和形狀，選擇原料箔材成分和厚度；(2) 對(duì)選定的原料箔材，在清理液中完成除油、除脂及表面活化處理； G)將表面處理后的原料箔材進(jìn)行交替層疊，制成軋制坯料，軋制坯料厚度為3-10mm;(4) 將軋制坯料送入加熱爐，在氬氣保護(hù)下，加熱到100~180°C，并保溫20 60min; 同時(shí)將軋輥預(yù)熱，輥面預(yù)熱溫度與坯料加熱溫度相同；最后將加熱后坯料送入軋機(jī)軋制成復(fù) 合板，軋制壓下率為40~70%;(5) 對(duì)溫軋后的復(fù)合板進(jìn)行切邊，然后在軋機(jī)上進(jìn)行冷軋減薄，冷軋的道次壓下率為10~20%;(6) 將冷軋復(fù)合板送入熱處理爐進(jìn)行固相合金化熱處理，熱處理溫度為400 68(TC，熱 處理時(shí)間為l~5h。金屬箔材原料是鐵箔和鋁箔、鎳箔和鋁箔或鈦箔和鋁箔。上述原料鐵箔、鎳箔、鈦箔和鋁箔要求質(zhì)量純度均>99.9%，原材料厚度為10 30nm。 '對(duì)原料箔材，在清理液中完成除油、除脂及表面活化處理是先在四氯化碳溶液中浸泡5分鐘，然后在丙酮溶液中浸泡5分鐘，從丙酮溶液中取出后，在清水中浸泡5分鐘，之后 烘干；然后用30 8(TC的5 10wt。/。的NaOH溶液堿洗5-15min，流動(dòng)清水沖洗后，用20-50 'C的20wt。/。的HN03溶液酸洗l-5min，經(jīng)流動(dòng)清水沖洗后風(fēng)干。對(duì)軋制坯料進(jìn)行溫軋復(fù)合和對(duì)溫軋后的復(fù)合板進(jìn)行冷軋減薄均選用四輥軋機(jī)進(jìn)行軋制。 金屬間化合物復(fù)合板經(jīng)過(guò)熱處理后使復(fù)合板完成整體合金化，晶粒尺寸為2~20pm。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的積極效果是本發(fā)明以目標(biāo)金屬間化合物為指引，通過(guò)對(duì)原料箔材成分及厚度選擇，軋制壓下率等軋 制工藝參數(shù)控制，熱處理溫度及時(shí)間的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)金屬間化合物材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其制備方 法簡(jiǎn)單合理、流程短、制備出高性能的金屬間化合物板材，更加拓寬了金屬間化合物的應(yīng)用 領(lǐng)域。本發(fā)明最顯著的特點(diǎn)就是首次提出了通過(guò)冷軋過(guò)程使復(fù)合板發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形并獲得微 米級(jí)分層厚度。這可以使復(fù)合板內(nèi)各層間的組織破碎，晶粒拉長(zhǎng)，對(duì)軋后熱處理過(guò)程中界面 形核、再結(jié)晶及晶粒細(xì)化會(huì)產(chǎn)生顯著的作用。采用本發(fā)明制備的金屬間化合物具有均勻的微細(xì)組織，平均晶粒尺寸為2 20nm，金屬間 化合物的室溫脆性和高溫強(qiáng)韌性得到明顯改善。己有技術(shù)的研究成果顯示，F(xiàn)e3Al在室溫下的 拉伸伸長(zhǎng)率僅3%左右，600。C條件下拉伸強(qiáng)度低于350MPa。而采用本方法制備的Fe3Al金屬 間化合物由于有效地細(xì)化了晶粒(平均晶粒尺寸為10~15^m)，同時(shí)消除了材料內(nèi)部缺陷，制 備得到的Fe3Al金屬間化合物的室溫拉伸伸長(zhǎng)率達(dá)到了 15~18%，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到 720 780MPa， 600。C下抗拉強(qiáng)度為480 540MPa。采用本方法制備的Ni3Al金屬間化合物材料 的室溫拉伸伸長(zhǎng)率可達(dá)35~42%，達(dá)到了該類材料拉伸性能的國(guó)際水平。目前已知的Ti3Al/TiAl 層片狀結(jié)構(gòu)材料的室溫拉伸伸長(zhǎng)率最高可達(dá)2~3%，而采用本方法制得的Ti3Al/TiAll層片狀 結(jié)構(gòu)的金屬間化合物室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)3~4%。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:規(guī)格為75mmxl0mmx 1.25mm的Fe3Al金屬間化合物板材。采用Fe含量為 99.98%的純鐵箔和鋁含量為99.96%的純鋁箔為原料，經(jīng)過(guò)最初的原料箔材厚度選擇及溫軋后 復(fù)合板實(shí)際分層厚度的測(cè)定，確定實(shí)際原料箔材的規(guī)格為純鐵箔15mmxl2mmx0.027mm; 純鋁箔15mmxl2mmx0.01mm。兩種原料箔材在四氯化碳溶液中浸泡5分鐘，后在丙酮溶液 中浸泡5分鐘，從丙酮溶液中取出后在清水中浸泡5分鐘，之后烘干，完成坯料的除油、除 脂。對(duì)除油、除脂后的鋁箔，用30。C的5^NaOH溶液堿洗15min，流動(dòng)清水沖洗后，用20°C 的20XHNO3溶液酸洗5min，經(jīng)流動(dòng)清水沖洗后風(fēng)干，完成鋁箔的表面活化。清理后的箔材 按交替層疊的方式制成軋制坯料，坯料中含兩種箔材各200張，軋制坯料厚度為7.4mm。軋制坯料送入10kW電爐中進(jìn)行加熱，加熱溫度10(TC，保溫時(shí)間為60min，加熱時(shí)向爐內(nèi)通入 氬氣。坯料加熱同時(shí)對(duì)(p50mm四輥軋機(jī)的工作輥進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為IOO'C。加熱后的坯 料送入cp50mm四輥軋機(jī)進(jìn)行溫軋復(fù)合，軋制壓下率為50%，溫軋后復(fù)合板厚度為3.7mm。 溫軋復(fù)合板經(jīng)切邊后送入(p50mm四輥軋機(jī)進(jìn)行冷軋減薄，冷軋道次壓下率為10%,共軋制 10道次，冷軋后復(fù)合板的厚度為1.25mm。冷軋復(fù)合板內(nèi)鐵箔的分層厚度為2~6pm，鋁箔的 分層厚度為l~4nm。冷軋后的復(fù)合板在15kW電爐中進(jìn)行整體固相合金化熱處理，熱處理溫 度為400。C，熱處理時(shí)間為3h。整體固相合金化處理后，復(fù)合板經(jīng)擴(kuò)散與相變成為單一、均 勻的Fe3Al金屬間化合物板材，平均晶粒尺寸為10~15nm。經(jīng)測(cè)試，采用本方法制得的Fe3Al 金屬間化合物的室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)15~18%，室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)72(K780MPa， 600'C下抗拉強(qiáng) 度為480 540MPa。實(shí)施例2:從原料箔材厚度選擇至獲得具有Fe/Al層片狀特征的冷軋復(fù)合板的工藝流程與 實(shí)施例1相同。不同的是冷軋后的復(fù)合板在15kW電爐中進(jìn)行整體固相合金化熱處理，熱處 理溫度為45(TC，熱處理時(shí)間為lh。整體固相合金化處理后，復(fù)合板經(jīng)擴(kuò)散與相變成為單一、 均勻的Fe3Al金屬間化合物板材，平均晶粒尺寸為12 18pm。經(jīng)測(cè)試，采用本方法制得的Fe3Al 金屬間化合物的室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)13~16%，室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)700 750MPa， 60(TC下抗拉強(qiáng) 度為450 500MPa。實(shí)施例3:規(guī)格為60mmxl0mmxl.5mm的Ni3Al金屬間化合物板材。采用Ni含量為99.99% 的純鎳箔和鋁含量為99.96%的純鋁箔為原料，經(jīng)過(guò)最初的原料箔材厚度選擇及溫軋后復(fù)合板 實(shí)際分層厚度的測(cè)定，確定實(shí)際原料箔材的規(guī)格為純鎳箔12mmxl2mmx0.025mm;純鋁箔 12mmxl2mmx0.01mm。兩種原料箔材在四氯化碳溶液中浸泡5分鐘，后在丙酮溶液中浸泡5 分鐘，從丙酮溶液中取出后在清水中浸泡5分鐘，之后烘干，完成坯料的除油、除脂。對(duì)除 油、除脂后的鋁箔，用5(TC的10%NaOH溶液堿洗10min，流動(dòng)清水沖洗后，用40'C的20 XHN03溶液酸洗4min，經(jīng)流動(dòng)清水沖洗后風(fēng)干，完成鋁箔的表面活化。清理后的箔材按交 替層疊的方式制成軋制坯料，坯料中含兩種箔材各280張，軋制坯料厚度為9.8mm。軋制坯 料送入10kW電爐中進(jìn)行加熱，加熱溫度150°C，保溫時(shí)間為30min，加熱時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣。 坯料加熱同時(shí)對(duì)(p50mm四輥軋機(jī)的工作輥進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為15(TC。加熱后的坯料送入 cp50mm四輥軋機(jī)進(jìn)行溫軋復(fù)合，軋制壓下率為70%,溫軋后復(fù)合板厚度為3mm。溫軋復(fù)合 板經(jīng)切邊后送入cp50mm四輥軋機(jī)進(jìn)行冷軋減薄，冷軋道次壓下率為15%,共軋制4道次， 冷軋后復(fù)合板的厚度為1.5mm。冷軋復(fù)合板內(nèi)鎳箔的分層厚度為2~5pm，鋁箔的分層厚度為 l~4|um。冷軋后的復(fù)合板在15kW電爐中進(jìn)行整體固相合金化熱處理，熱處理溫度為60(TC， 熱處理時(shí)間為3h。整體固相合金化處理后，復(fù)合板經(jīng)擴(kuò)散與相變成為單一、均勻的NbAl金屬間化合物板材，平均晶粒尺寸為5~l(Him。經(jīng)測(cè)試，采用本方法制得的Ni3Al金屬間化合物 室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)35~42%。實(shí)施例4:從原料箔材厚度選擇至獲得具有Ni,Al層片狀特征的冷軋復(fù)合板的工藝流程與 實(shí)施例3相同。不同的是冷軋后的復(fù)合板在15kW電爐中進(jìn)行整體固相合金化熱處理，熱處 理溫度為550'C，熱處理時(shí)間為5h。整體固相合金化處理后，復(fù)合板經(jīng)擴(kuò)散與相變成為單一、 均勻的Ni3Al金屬間化合物板材，平均晶粒尺寸為2~8pm。經(jīng)測(cè)試，采用本方法制得的Ni3Al 金屬間化合物室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)32~40%。實(shí)施例5:規(guī)格為40mmxl0mmxl.2mm的Ti3Al/TiAl兩相層片結(jié)構(gòu)的金屬間化合物板材。 采用Ti含量為99.95%的純鈦箔和鋁含量為99.96%的純鋁箔為原料，經(jīng)過(guò)最初的原料箔材厚 度選擇及溫軋后復(fù)合板實(shí)際分層厚度的測(cè)定，確定實(shí)際原料箔材的規(guī)格為純鈦箔 15mmxl2mmx0.025mm;純鋁箔15mmxl2mmx0.01mm。兩種原料箔材在四氯化碳溶液中浸 泡5分鐘，后在丙酮溶液中浸泡5分鐘，從丙酮溶液中取出后在清水中浸泡5分鐘，之后烘 干，完成坯料的除油、除脂。對(duì)除油、除脂后的鋁箔，用8(TC的5^NaOH溶液堿洗5min， 流動(dòng)清水沖洗后，用5(TC的20%HNO3溶液酸洗lmin，經(jīng)流動(dòng)清水沖洗后風(fēng)干，完成鋁箔 的表面活化。清理后的箔材按交替層疊的方式制成軋制坯料，坯料中含兩種箔材各100張， 軋制坯料厚度為3.5mm。軋制坯料送入10kW電爐中進(jìn)行加熱，加熱溫度180°C，保溫時(shí)間 為20min，加熱時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣。坯料加熱同時(shí)對(duì)cp50mm四輥軋機(jī)的工作輥進(jìn)行預(yù)熱，預(yù) 熱溫度為18(TC。加熱后的坯料送入(p50mm四輥軋機(jī)進(jìn)行溫軋復(fù)合，軋制壓下率為40%，溫 軋后復(fù)合板厚度為2.1mm。溫軋復(fù)合板經(jīng)切邊后送入cp50mm四輥軋機(jī)進(jìn)行冷軋減薄，冷軋 道次壓下率為20%，共軋制3道次，冷軋后復(fù)合板的厚度為1.2mm。冷軋復(fù)合板內(nèi)鈦箔的分 層厚度為5 10^un，鋁箔的分層厚度為2 6pm。冷軋后的復(fù)合板在15kW電爐中進(jìn)行整體固相 合金化熱處理，熱處理溫度為620'C，熱處理時(shí)間為4h。整體固相合金化處理后，復(fù)合板經(jīng) 擴(kuò)散與相變成為以Ti3Al金屬間化合物為主，含有少量TiAl金屬間化合物的層片狀結(jié)構(gòu)，Ti3Al 的平均晶粒尺寸為15~18pm， TiAl的平均晶粒尺寸為3~6pm。經(jīng)測(cè)試，采用本方法制得的 Ti3Al/TiAl兩相層片結(jié)構(gòu)金屬間化合物室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)3~4%。實(shí)施例6:至獲得具有Ti/Al層片狀特征的冷軋復(fù)合板的工藝流程與實(shí)施例5相同。不同 的是冷軋后的復(fù)合板在15kW電爐中進(jìn)行整體固相合金化熱處理，熱處理溫度為68(TC，熱 處理時(shí)間為2h。整體固相合金化處理后，復(fù)合板經(jīng)擴(kuò)散與相變成為以Ti3Al金屬間化合物為 主，含有少量TiAl金屬間化合物的層片狀結(jié)構(gòu)，Ti3Al的平均晶粒尺寸為15 2(Hun， TiAl的 平均晶粒尺寸為2~5pm。經(jīng)測(cè)試，采用本方法制得的Ti3Al/TiAl兩相層片結(jié)構(gòu)金屬間化合物 室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)2~3%。
權(quán)利要求
1、一種金屬間化合物的制備方法，其特征在于以金屬箔材為原料，工藝步驟是(1)先確定金屬間化合物類型和形狀，選擇原料箔材成分和厚度；(2)對(duì)選定的原料箔材，在清理液中完成除油、除脂及表面活化處理；(3)將表面處理后的原料箔材進(jìn)行交替層疊，制成軋制坯料，軋制坯料厚度為3～10mm；(4)將軋制坯料送入加熱爐，在氬氣保護(hù)下，加熱到100～180℃，并保溫20～60min；同時(shí)將軋輥預(yù)熱，輥面預(yù)熱溫度與坯料加熱溫度相同；最后將加熱后坯料送入軋機(jī)軋制成復(fù)合板，軋制壓下率為40～70％；(5)對(duì)溫軋后的復(fù)合板進(jìn)行切邊，然后在軋機(jī)上進(jìn)行冷軋減薄，冷軋的道次壓下率為10～20％；(6)將冷軋復(fù)合板送入熱處理爐進(jìn)行固相合金化熱處理，熱處理溫度為400～680℃，熱處理時(shí)間為1～5h。
2、 按照權(quán)利要求1所述的金屬間化合物的制備方法，其特征在于金屬箔材原料是鐵箔 和鋁箔、鎳箔和鋁箔或鈦箔和鋁箔。
3、 按照權(quán)利要求1或2所述的金屬間化合物的制備方法，其特征在于要求原料鐵箔、 鎳箔、鈦箔和鋁箔質(zhì)量純度均>99.9%，原材料厚度為10 30pm。
4、 按照權(quán)利要求1所述的金屬間化合物的制備方法，其特征在于所述的對(duì)原料箔材， 在清理液中完成除油、除脂及表面活化處理是先在四氯化碳溶液中浸泡5分鐘，然后在丙 酮溶液中浸泡5分鐘，從丙酮溶液中取出后，在清水中浸泡S分鐘，之后烘干；然后用30-80 'C的5 10wt。/。的NaOH溶液堿洗5 15min，流動(dòng)清水沖洗后，用20-5(TC的20wt。/。的HN03 溶液酸洗l-5min，經(jīng)流動(dòng)清水沖洗后風(fēng)千。
5、 按照權(quán)利要求1所述的金屬間化合物的制備方法，其特征在于對(duì)軋制坯料進(jìn)行溫軋 復(fù)合和對(duì)溫軋后的復(fù)合板進(jìn)行冷軋減薄均選用四輥軋機(jī)進(jìn)行軋制。
6、 按照權(quán)利要求1所述的金屬間化合物的制備方法，其特征在于金屬間化合物復(fù)合板 經(jīng)過(guò)熱處理后使復(fù)合板完成整體合金化，晶粒尺寸為2~20pm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬間化合物的制備方法，特征是以鐵箔、鎳箔或鈦箔和鋁箔為原料，按如下步驟進(jìn)行選擇原料箔材及厚度；對(duì)原料進(jìn)行除油、除脂和表面活化處理；處理后的箔材進(jìn)行交替層疊，制成軋制坯料，然后進(jìn)行溫軋，加熱溫度100～180℃，軋制壓下率40～70％；對(duì)溫軋后復(fù)合板進(jìn)行切邊，冷軋，壓下率為10～20％；最后對(duì)冷軋復(fù)合板進(jìn)行固相合金化熱處理，熱處理溫度為400～680℃，熱處理時(shí)間為1～5h。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是制備出的金屬間化合物具有均勻的微細(xì)組織，平均晶粒尺寸為2～20μm，金屬間化合物的室溫脆性和高溫強(qiáng)韌性得到明顯改善。本發(fā)明克服了金屬間化合材料不易成型的難題，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)B21B1/38GK101219433SQ200810010168
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者于九明, 祖國(guó)胤 申請(qǐng)人:東北大學(xué)