專利名稱：：一種V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V改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，所述金屬間化合物中存在有NiAl相、Cr(Mo)相和Ni2AlV相。
背景技術(shù)：
：目前，在動(dòng)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60(TC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8.0^/673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UO(TC。為滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，急需開發(fā)承溫能力為1150"C的高溫結(jié)構(gòu)材料。B2結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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/cW僅為鎳基高溫合金的2/3，合金化后的密度為6.0g/cms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'm1/2，高溫IOO(TC屈服強(qiáng)度為小于lOOMPa,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；另外，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髙。如NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的斷裂韌性為17~22MPa*m1/2，其抗沖擊性能也好于AFN-12。但是，NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的高溫強(qiáng)度改善不大，仍然無法滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在U5crc環(huán)境下的使用要求，進(jìn)行進(jìn)一步的成份設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)，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V改性的MA1-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，通過在NiA1-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V元素進(jìn)行改性。V是唯一能同時(shí)形成偽二元共晶系和Heusler相的元素，V與Cr的作用類似，將大量溶于ci-Cr中，并以a-Cr沉淀相析出，進(jìn)而起到沉淀強(qiáng)化的作用。同時(shí)，V可以形成Heusler相，進(jìn)而強(qiáng)化基體，有利于提高高溫性能。V具有低密度的特點(diǎn)，可開發(fā)出新型的低密度、高比強(qiáng)度的高溫1150。C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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益以及滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力115(TC的要求。本發(fā)明是一種V改性的NiA1-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%的釩(V)組成，成分范圍為33at。/。的Ni，30at%的Cr,4aiyQ的Mo，1~16at乂的V和余量的Al。在本發(fā)明中，V改性的NiA1-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，可以是33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3V或者33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5V或者33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8V或者33Ni-22A1-30Cr-4Mo-lIV。本發(fā)明V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A1元素含量、添加V元素對(duì)MA1-Cr(Mo)雙相共晶合金進(jìn)行了改性。V是唯一能同時(shí)形成偽二元共晶系和Heusler相的元素，V與Cr的作用類似，將大量溶于a-Cr中，并以a-Cr沉淀相析出，進(jìn)而起到沉淀強(qiáng)化的作用。同時(shí)，V可以形成Heusler相，進(jìn)而強(qiáng)化基體，有利于提高高溫性能。在室溫塑性和韌性較好的富M的NiA1-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)腍eusler相和a-Cr沉淀相來進(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。(2)V改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的密度為6.06.6g/cm3,在25。C時(shí)屈服強(qiáng)度為15002500Mi^，比未改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金提高50%150%,比等原子比NiAl金屬間化合物提高120%240%。在U50。C時(shí)的屈服強(qiáng)度達(dá)到120150MPfl。(3)V改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的壓縮塑性大于24。/。，比未改性的NiA1-Cr(Mo)雙相共晶合金提高40%,較等原子比NiAl金屬間化合物提髙140%。改性后合金的斷裂韌性與NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金的韌性值相當(dāng)，可達(dá)12~16MPa*m1/2。(4)33Ni-22Al-30Cr-4Mo-llV合金在600°C、800。C下的壓縮屈服強(qiáng)度分別為1800M尸a、，分別比未改性的NiA1-Cr(Mo)合金高出157%和40%。圖1是33Ni-22Al-30Cr-4Mo-11V金屬間化合物的在25。C、500°C、600°C、800°C、115CTC下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2是33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3V金屬間化合物的在25。C、600°C、800°C、115(TC下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3是33Ni-28A1-30Cr-4Mo-5V金屬間化合物的在25°C、600°C、800°C、1150。C下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4是33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8V金屬間化合物的在25°C、600°C、800°C、115(TC下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5絲經(jīng)改性的33Ni-33A1-30Cr-4Mo雙相共晶合金在25。C、600°C、800°C、115CrC下的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中，25。C屈服強(qiáng)度為1100MP"，壓縮塑性大于12%;600。C屈服強(qiáng)度為700M戶a，壓縮塑性大于43%;80CTC屈服強(qiáng)度為500M^,壓縮塑性大于55%;其1150。C屈服強(qiáng)度為100M尸"。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種V改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物，是針對(duì)NiAl金屬間化合物的室溫脆性和高溫強(qiáng)度問題，在NiAl雙向共晶合金的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種V元素改性的新型髙溫高比強(qiáng)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(huì)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(dòng)機(jī)用合金需達(dá)到承溫能力1150。C的要求。本發(fā)明V改性的NiA1-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%的釩(V)組成，成分范圍為33at。/o的M，30atX的Cr，4at乂的Mo，1~16&1;%的V和余量的Al。本發(fā)明V改性的NiA1-Cr(Mo)雙相共晶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1X1(T35X10—3&，熔煉溫度2500。C3000。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)含量的釩(V)元素來控制合金的室溫和高溫力學(xué)性能。將制得的V改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物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(cè)量樣品的質(zhì)量和體積，計(jì)算金屬間化合物的密度為6.06.6g/cw3,樣品為直徑6mm，長(zhǎng)度9mm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(cè)試其室溫(25°C)屈服強(qiáng)度為1500~2500MP"，比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高50%150%，較等原子比NiAl合金提髙120%~240%;其壓縮塑性大于24%，比未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高40%，比等原子比NiAl金屬間化合物提高140%。本發(fā)明金屬間化合物在600"C800。C的高溫屈服強(qiáng)度分別為1800MPfl、700M尸a，比未添加V元素的NiAl-Cr(Mo)合金提髙了157%和40%。采用Instrons設(shè)備進(jìn)行高溫1150。C力學(xué)性能的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)樣品為直徑6mm，長(zhǎng)度9mm的圓柱體；其屈服強(qiáng)度為120150Mi^。(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(cè)試，實(shí)驗(yàn)樣品為6mmX6mmX30mm的方柱體，測(cè)試時(shí)的應(yīng)變速率為0.02mm/min，斷裂韌性值為1216MPa*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V元素對(duì)MA1-Cr(Mo)雙相合金進(jìn)行了改性。V是唯一能同時(shí)形成偽二元共晶系和Heusler相的元素，V與Cr的作用類似，將大量溶于a-Cr中，并以a-Cr沉淀相析出，進(jìn)而起到沉淀強(qiáng)化的作用。同時(shí)，V可以形成Heusler相，進(jìn)而強(qiáng)化基體，有利于提高高溫性能。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相和a-Cr沉淀相來進(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。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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益以及滿足新一代燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)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-22A1-30Cr-4Mo-1IV金屬間化合物按照成分為33Ni-22Al-30Cr-4Mo-11V(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-22Al-30Cr-4Mo-IIV合金鑄錠，真空度5xlO-spa，熔煉溫度3000"C，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。釆用線切割方法從熱處理后的33Ni-22Al-30Cr-4Mo-llV錠材上切取直徑6mm,高度9mm的圓柱體樣品以及6mmx6mmX30imn的方柱體進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。釆用1111型精確度為10—4g的電子天平測(cè)量樣品的質(zhì)量M,使用精確度為10—2附/的游杏^尺測(cè)量樣品的端面直徑D和長(zhǎng)度L，采用公式p=4MxD-2X(;iL)1計(jì)算33Ni-22Al陽(yáng)30Cr-4Mo畫11V金屬間化合物密度p(公式中兀為圓周率)，其密度為6.39g/c7w3。請(qǐng)參見圖1所示，采用MTS-880型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其室溫(25。C)屈服強(qiáng)度為2300MP"，壓縮塑性大于24%;500°(:屈服強(qiáng)度為2500Mi^，壓縮塑性大于36%;600。C屈服強(qiáng)度為1800MP",壓縮塑性大于40%;800。C屈服強(qiáng)度為700MPa，壓縮塑性大于50%;115(TC屈服強(qiáng)度為142MPfl。實(shí)施例2:制33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3V金屬間化合物按照成分為33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3V(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-4Mo-3V合金鑄錠，真空度3X10-3Pa，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-30Al-30Cr-4Mo-3V金屬間化合物的力學(xué)性能測(cè)試條件與實(shí)施例1相同，其密度為6.07g/cm、參見圖2所示，圖中，25。C時(shí)屈服強(qiáng)度為2100M尸fl，壓縮塑性大于23%;600。C屈服強(qiáng)度為1250M戶"，壓縮塑性大于40%;800。C屈服強(qiáng)度為620M尸fl，壓縮塑性大于50%;1150。C屈服強(qiáng)度為124M尸o。實(shí)施例3:制33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5V金屬間化合物按照成分為33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5V(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-5V合金鑄錠，真空度4Xl(T少a，熔煉溫度280(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-28Al-30Cr-4Mo-5V金屬間化合物的力學(xué)性能測(cè)試條件與實(shí)施例1相同，其密度為6.l5g/c7^;參見圖3所示，圖中，25。C時(shí)屈服強(qiáng)度為2150M^，壓縮塑性大于25%;600。C屈服強(qiáng)度為1200MPa，壓縮塑性大于40%;80(TC屈服強(qiáng)度為615M戶"，壓縮塑性大于50%;115CTC屈服強(qiáng)度為。實(shí)施例4:制33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8V金屬間化合物按照成分為33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8V(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-25Al-30Cr-4Mo-8V合金鑄錠，真空度大于5X10—3Pa，熔煉溫度250CTC,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-25Al-30Cr-4Mo-8V金屬間化合物的力學(xué)性能測(cè)試條件與實(shí)施例1相同，其密度為6.27g/cm、參見圖4所示，圖中，25。C時(shí)屈服強(qiáng)度為2500MPci,壓縮塑性大于27%;600。C屈服強(qiáng)度為1450M&，壓縮塑性大于40%;800。C屈服強(qiáng)度為650MP",壓縮塑性大于50%;115(TC屈服強(qiáng)度為132M尸a。下表為不同組份的金屬間化合物在真空度3X10—3Pa、熔煉溫度3000°C、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-17~32Al-30Cr-4Mo-116V金屬間化合物共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)，適當(dāng)降低A1元素含量、添加V元素對(duì)NiAl-Cr(Mo)雙相共晶合金進(jìn)行改性。V是唯一能同時(shí)形成偽二元共晶系和Heusler相的元素，V與Cr的作用類似，將大量溶于a-Cr中，并以a-Cr沉淀相析出，進(jìn)而起到沉淀強(qiáng)化的作用。同時(shí)，V可以形成Heusler相，進(jìn)而強(qiáng)化基體，有利于提髙高溫性能。在室溫塑性和韌性較好的富Ni的NiA1-Cr(Mo)兩相組織的基礎(chǔ)上引入適當(dāng)?shù)腍eusler相和a-Cr沉淀相來進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度。權(quán)利要求1、一種V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％的釩(V)組成，成分范圍為33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，1～16at％的V和余量的Al。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的V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-3V。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的V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-28A1-30Cr-4Mo-5V。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的V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-25Al-30Cr-4Mo-8V。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的V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-22Al-30Cr-4Mo-1IV。6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的V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中存在有NiAl相、Cr(Mo)相和Ni2AlV相。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的V改性的NiA1-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6.06.6g/cm3;25"C屈服強(qiáng)度為15002500MPa，壓縮塑性大于24%;115(TC時(shí)的屈服強(qiáng)度達(dá)到120~150MP"。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的V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/j,單位面積增重為58附g/cw2。9、一種制備如權(quán)利要求1所述的V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—3~5X10—3尸"，熔煉溫度250(TC3000X:,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V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，1～16at％的V和余量的Al。通過在NiAl-Cr(Mo)雙相共晶的共晶點(diǎn)附近的成分范圍內(nèi)降低Al元素含量、添加V元素進(jìn)行改性。V是唯一能同時(shí)形成偽二元共晶系和Heusler相的元素，V與Cr的作用類似，將大量溶于α-Cr中，并以α-Cr沉淀相析出，進(jìn)而起到沉淀強(qiáng)化的作用。同時(shí)，V可以形成Heusler相，進(jìn)而強(qiáng)化基體，有利于提高高溫性能。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相和α-Cr沉淀相來進(jìn)一步提高共晶合金的高溫強(qiáng)度。本發(fā)明V改性的NiAl-Cr(Mo)雙相共晶金屬間化合物的密度為6.0～6.6g/cm³，在1150℃時(shí)的屈服強(qiáng)度達(dá)到120～150MPa。文檔編號(hào)C22C30/00GK101148730SQ200710176118公開日2008年3月26日申請(qǐng)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(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)