專利名稱：：一種Hf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Hf改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物。
背景技術(shù)：
：目前，在動力、石化、運(yùn)輸、特別是航空及航天等工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用在600'C以上的金屬結(jié)構(gòu)材料通常為鎳基、鐵基和鈷基高溫合金。這些材料具有較高的密度(一般在8.0g/c^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(qiáng)的新型高溫合金以適應(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(diǎn)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iiocrc。為滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的需求，急需開發(fā)承溫能力為115crc的高溫結(jié)構(gòu)材料。B2結(jié)構(gòu)長程有序NiAl的熔點(diǎn)高達(dá)1638°C，比鎳基高溫合金高300350°C，使用溫度可望達(dá)到1250°C;其密度5.86g/c^僅為鎳基高溫合金的2/3，合金化后的密度為6.0g/c7^左右，從而可有效地提高比強(qiáng)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。伹是NiAl的常溫塑性小于1%,斷裂韌性為35MPa'V^，高溫IOO(TC屈服強(qiáng)度為小于IOOM尸"，嚴(yán)重限制了其實(shí)用化的運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)度提高、斷裂韌性增加。共晶組織的層片狀組織非常細(xì)小，層間距相距只有十分之幾至幾個(gè)微米，位錯(cuò)的平均自由程很小，在相與相之間的釘扎導(dǎo)致Hall-Petch型強(qiáng)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)雙相共晶金屬間化合物的斷裂韌性為17~22MPa*m1/2,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(qiáng)度改善不大，仍然無法滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在115(TC環(huán)境下的使用要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種Hf改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，通過在NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的基礎(chǔ)上，在其共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量、添加Hf元素對NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的改性。Hf元素與NiAl有強(qiáng)烈地形成Heusler(L21-Ni2AlHf)相的趨勢，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)腍eusler相來進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度。以此開發(fā)出新型的低密度、高比強(qiáng)度的高溫115(TC結(jié)構(gòu)金屬間化合物，減輕結(jié)構(gòu)重量，提髙效率，降低能源消耗，從而帶來巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益以及滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力1150。C的要求。本發(fā)明是一種Hf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°/。的鋁(Al)、純度99.999%的鉻(Cr)、純度99.999%的鉬(Mo)以及純度99.999%的鉿(Hf)組成，成分范圍為33at。/。的Ni，30atQ/o的Cr，4at。/。的Mo，0.l1lat。/。的Hf和余量的Al。在本發(fā)明中，Hf改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物可以是33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf或者33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf或者33Ni-28A1-30Cr-4Mo_5Hf或者33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf。在本發(fā)明中，Hf改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的密度為6.027.66g/cm3;25。C屈服強(qiáng)度為15002300M/^、壓縮塑性大于17%;在1150°C時(shí)的屈服強(qiáng)度為300420MPa。本發(fā)明Hf改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的優(yōu)點(diǎn)在于(1)通過降低Al元素含量、添加Hf元素對NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金進(jìn)行改性，Hf元素與NiAl有強(qiáng)烈的Heusler(L21-Ni2AlHf)相形成趨勢，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)腍eusler相來進(jìn)一步提高共晶合金的髙溫強(qiáng)度，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)Hf改性后的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金密度為6.027.66g/Cm3;(3)Hf改性后的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的室溫屈服強(qiáng)度為15002300M尸"，比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高50%~100%,比等原子比NiAl金屬間化合物提高150%240。/。。壓縮塑性大于17%,比等原子比NiAl金屬間化合物提高了70%。(4)33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf合金在800°C下的壓縮屈服強(qiáng)度為1600MPa,比未改性的NiAl-Cr(Mo)偽二元共晶合金高出220%。(5)Hf改性后的NiA1-Cr(Mo)雙相共晶合金在1150。C時(shí)的屈服強(qiáng)度為300~420M尸cr圖1是33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf金屬間化合物在25°C、800°C、850t:、1150。C的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2是33Ni-30A1隱30Cr-4Mo-3Hf金屬間化合物在25°C、800°C、850°C、115(TC的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3是33Ni-32Al-30Cr-4Mo-lHf金屬間化合物在25°C、800°C、850°C、115CTC的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4是33Ni-25A1-30Cr-4Mo-細(xì)金屬間化合物在25°C、800°C、850°C、115CTC的壓縮實(shí)驗(yàn)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、1150。C下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中，25"C屈服強(qiáng)度為1100MPa,壓縮塑性大于12%;600。C屈服強(qiáng)度為700MPa，壓縮塑性大于43%;800。C屈服強(qiáng)度為500M&，壓縮塑性大于55%;其1150。C屈服強(qiáng)度為100MP"。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種Hf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髙溫強(qiáng)度問題，在NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種Hf元素改性的新型高溫高比強(qiáng)的金屬間化合物，該金屬間化合物替代了傳統(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(jì)效益，以及進(jìn)一步滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力115(TC的要求。本發(fā)明Hf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%的鉿(Hf)組成，成分范圍為33at。/。的Ni，30at。/Q的Cr，4at^的Mo，0.l1lat冗的Hf和余量的Al。在本發(fā)明中，Hf原子百分比的較佳取值范圍為38。本發(fā)明的金屬間化合物釆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—35X10—3尸"，熔煉溫度250CTC3000°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(shí)添加相應(yīng)含量的鉿(Hf)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(jìn)行力學(xué)性能分析(一)采用線切割方法切取樣品進(jìn)行組份分析，通過精確測量樣品的質(zhì)量和體積，計(jì)算金屬間化合物的密度為6.027.66g/cm3，樣品為直徑6mm，長度9wm的圓柱體。(二)采用材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(MTS)進(jìn)行室溫和高溫力學(xué)性能的測試其室溫(25C)屈服強(qiáng)度為15002300MPa,比未改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金提高50%~100%,比等原子比NiAl金屬間化合物提高150%240%。壓縮塑性大于17%，比等原子比NiAl金屬間化合物提高70a/0。釆用Instrons設(shè)備進(jìn)行高溫115CTC力學(xué)性能的測試，實(shí)驗(yàn)樣品為直徑6mm，長度的圓柱體；其屈服強(qiáng)度為300420M尸of。(三)采用材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(MTS)進(jìn)行室溫材料斷裂韌性的測試，實(shí)驗(yàn)樣品為6mwX6zmnX30m附的方柱體，測試時(shí)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(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量并添加Hf元素對NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金進(jìn)行了改性，通過Hf元素與NiAl強(qiáng)烈的Heusler(L21-Ni2AlHf)相形成趨勢，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)腍eusler相來進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度，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。本發(fā)明開發(fā)出一種新型的低密度、高比強(qiáng)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(jì)效益以及滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力115(TC的要求。實(shí)施例1:制33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf金屬間化合物按照成分為33Ni-28A1-30Cr-4Mo-5Hf(原子百分比)進(jìn)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-28Al-30Cr-4Mo-5Hf合金鑄錠，真空度3Xl(T3Pa，熔煉溫度3000t:，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(shí)后隨爐冷卻至室溫。采用線切割方法從熱處理后的33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf錠材上切取直徑6wm，高度9wm的圓柱體樣品以及6mmX6mwX30wm的方柱體進(jìn)行力學(xué)性能測試。釆用llll型精確度為10"g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(biāo)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)-H十算Ni-28A1-30Cr-4Mo-5Hf金屬間化合物密度p(公式中兀為圓周率)，其密度為6.76g/cm3。請參見圖1所示，釆用MTS-880型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，其室溫(25°C)屈服強(qiáng)度為2200M尸"，壓縮塑性大于21%;其80CTC屈服強(qiáng)度為1400M尸a，壓縮塑性大于40%;其850。C屈服強(qiáng)度為1250，壓縮塑性大于50%;其1150。C屈月艮強(qiáng)度為420i^戶a。實(shí)施例2:制33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf金屬間化合物按照成分為33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf(原子百分比)進(jìn)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-30Al-30Cr^Mo-3Hf合金鑄錠，真空度5X10—3Pa，熔煉溫度2700。C，翻煉5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(shí)后隨爐冷卻至室溫。33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf金屬間化合物的力學(xué)性能測試條件與實(shí)施例1相同，其密度為6.11g/cw3;參見圖2所示，圖中，室溫(25"C)屈服強(qiáng)度為2000M戶"，壓縮塑性大于17%;800。C屈服強(qiáng)度為1300M尸"，壓縮塑性大于30%;85CTC屈服強(qiáng)度為1200M戶"，壓縮塑性大于35%;1150。C屈服強(qiáng)度為。實(shí)施例3:制33Ni-32A1-30Cr-4Mo-1Hf金屬間化合物按照成分為33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf(原子百分比)進(jìn)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-32A1-30Cr-4Mo-1Hf合金鑄錠，真空度5Xl(T3Pa,熔煉溫度270(TC，翻煉6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(shí)后隨爐冷卻至室溫。33Ni-32A1-30Cr-4Mo-lHf金屬間化合物的力學(xué)性能測試條件與實(shí)施例1相同，其密度為6.03g/cm3;參見圖3所示，圖中，室溫(25。C)屈服強(qiáng)度為1900，壓縮塑性大于21%;800。C屈服強(qiáng)度為1150MP",壓縮塑性大于35%;850。C屈服強(qiáng)度為960MP"，壓縮塑性大于50%;1150。C屈服強(qiáng)度為323Mi^。實(shí)施例4:制33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf金屬間化合物按照成分為33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf(原子百分比)進(jìn)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-25Al-30Cr-4Mo-8Hf合金鑄錠，真空度5X10-3Pa,熔煉溫度3000。C,翻煉5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(shí)后隨爐冷卻至室溫。33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf金屬間化合物的力學(xué)性能測試條件與實(shí)施例1相同,其密度為6.21g/cm3;參見圖4所示，圖中，室溫(25。C)屈服強(qiáng)度為2200Mi^，壓縮塑性大于21%;800。C屈服強(qiáng)度為1250M/>fl,壓縮塑性大于28%;85(TC屈服強(qiáng)度為1050MP",壓縮塑性大于50%;115CrC屈服強(qiáng)度為345M尸a。下表為不同組份的金屬間化合物在真空度3xlO一Pa、熔煉溫度300CrC、翻煉6次條件下的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本發(fā)明人通過在33Ni-22~32.9Al-30Cr-4Mo-0.1llHf金屬間化合物共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)適當(dāng)降低Al元素含量并添加Hf元素對NiA1-Cr(Mo)雙相共晶合金進(jìn)行了改性，通過Hf元素與NiAl強(qiáng)烈的Heusler(L21-Ni2AlHf)相形成趨勢，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)腍eusler相來進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度。權(quán)利要求1、一種Hf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％的鉿(Hf)組成，成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，0.1～11at％的Hf和余量的Al。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Hf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-32Al-30Cr-4Mo-lHf。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的Hf改性的MA1-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-3Hf。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Hf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-28A1-30Cr-4Mo-5Hf。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Hf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33M-25Al-30Cr-4Mo-8Hf。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Hf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、Ni2AlHf相(Heusler相)和Hf的固熔體。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Hf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6.02~7.66g/cw3;25"屈服強(qiáng)度為15002300MPa、壓縮塑性大于17%;在1150。C時(shí)的屈服強(qiáng)度為300420M尸a。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Hf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100/2，單位面積增重為36mg/cw2。9、一種制備如權(quán)利要求1所述的Hf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—35X10-3Pa，熔煉溫度2500。C3000。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Hf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，0.1～11at％的Hf和余量的Al。通過在NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)降低Al元素含量、添加Hf元素對NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金進(jìn)行改性，Hf元素與NiAl形成Heusler(L21-Ni₂AlHf)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Heusler相來進(jìn)一步提高共晶金屬間化合物的高溫強(qiáng)度。本發(fā)明的Hf改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物在1150℃時(shí)的屈服強(qiáng)度為300～420MPa、密度為6.02～7.66g/cm³。文檔編號C22C30/00GK101148727SQ20071017611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)