專利名稱：一種Fe-Cr-Mo-Al-Cu耐蝕高溫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種新型綜合性能良好的!^-Cr-Mo-Al-Cu 合金，可用于高溫1100°c的空氣環(huán)境中，高氯海水環(huán)境中，也可以作為高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料使用。
背景技術(shù)：
工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高溫合金按基體成分的不同可以劃分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金、鈷基高溫合金，鋯基高溫合金等。鐵基高溫合金主要靠大量合金化貴重元素 Ni、W、Nb、V、Zr、Co、Mo、稀土元素等來(lái)提高其抗高溫氧化性能，生產(chǎn)成本比較高，一般為面心立方結(jié)構(gòu)，服役溫度介于650 1000°C之間。著名的!^e-Cr-Al體心結(jié)構(gòu)合金以其優(yōu)良的抗高溫氧化性能廣泛地用作各類電熱材料、耐熱涂層材料，如lCrl3A14，0Cr21A16，0Cr25A15， 0Cr21A16Nb，0Cr27A17Mo2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(wt. % ) :Cr 12. O 27. 8，Al 2. O 7. 0，Mo O 3. O, Nb ^ 0.5,Mn ^ 0.4, Si ^ 0. 7，稀土元素Re適量，！^余量，這些合金來(lái)自生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，自然無(wú)法得到最佳的合金成分，并且加工工藝比較復(fù)雜，在高溫環(huán)境中沿晶界容易析出碳化物 Cr23C6、Cr7C3、氮化物CrN2和較脆的中間合金相i^eCr，F(xiàn)eAl3，進(jìn)而形成貧鉻區(qū)，破壞了合金的耐蝕性能、耐高溫氧化性能，也嚴(yán)重影響到了合金的機(jī)械性能。高耐蝕!^-Cr-Mo體心結(jié)構(gòu)不銹鋼，以其在高Cl_環(huán)境中良好的耐蝕性能而聞名，如00Crf9Mo4，00Cr27Mo4，00Crl8Mo2 等，成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(wt. =Cr 18. 0 四.0，Mo O 4.0，Ti 0.4，Nb 0.4，這些合金最大 Mo含量為%，在550 950°C高溫服役環(huán)境中同樣易析出CrMC6、！^eCr相等，嚴(yán)重影響合金的性能。另有!^e-Cr-Mo合金在高Cl_環(huán)境中耐蝕性能研究表明，其抗點(diǎn)蝕能力隨著Mo 含量的增加而增加；含Mo量高達(dá)6wt. %的 ^-Cr-Mo合金研究表明，在高溫1200 1400°C 環(huán)境中，合金仍舊保持穩(wěn)定的體心立方結(jié)構(gòu)；同時(shí)由Sieffler不銹鋼經(jīng)驗(yàn)公式表明，Mo含量的增加必將能夠進(jìn)一步提高!^e-Cr基合金體心結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，單一結(jié)構(gòu)的合金鋼材料一般都具有良好的綜合性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有!^e-Cr基高溫合金技術(shù)存在的貴重合金化組元含量高， 最佳成分不易獲得，生產(chǎn)成本較高，工藝復(fù)雜，高溫環(huán)境中容易析出第二相影響合金的耐高溫氧化性能、耐蝕性能、力學(xué)性能等的不足，提供了一種成本低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鑄造性能與綜合機(jī)械性能良好、1100°c高溫空氣環(huán)境中完全抗氧化、高氯環(huán)境中耐腐蝕性能優(yōu)良的新型體心鐵基高溫合金。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種 ^-Cr-Mo-Al-Cu耐蝕高溫合金，其特征在于它包括Fe、Cr、Mo、Al、Cu元素，其合金成分的質(zhì)量百分比為(wt. % ), Cr :20.0-29. 2，Al 2. 0-3. 5，Mo 5. 0-8. 0，Cu :0. 5-1. 5，F(xiàn)e 余量。實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案的構(gòu)思是以Fe-Cr 二元相圖特征為基礎(chǔ)，充分考慮添加的合金化元素與基體狗之間的相互作用，優(yōu)化出最佳成分，以下為具體的化學(xué)成分確定與優(yōu)化過(guò)程。合金材料的成分是決定其性能的基礎(chǔ)，高溫合金以其強(qiáng)度高、抗氧化和耐腐蝕性能良好經(jīng)常應(yīng)用于高溫空氣環(huán)境、高氯環(huán)境與高硫環(huán)境中，所以元素選取要保證合金具有高強(qiáng)度的同時(shí)，能夠具有抗高溫氧化性能，即在合金表面生成致密的氧化膜阻斷氧化進(jìn)程，保護(hù)合金不被進(jìn)一步氧化，故選擇鉻、鉬、鋁、銅作為合金化元素。①鉻鉻是i^e-Cr體心高溫合金中不可缺少的元素。首先，鉻是促進(jìn)鐵基合金體心結(jié)構(gòu)形成與穩(wěn)定化元素；其次，高溫空氣環(huán)境中鉻在合金表面容易生成致密的氧化膜Cr2O3，阻斷了氧氣進(jìn)一步向材料內(nèi)部擴(kuò)散，對(duì)合金材料起到了保護(hù)作用；再者，鉻原子作為固溶元素大量溶入鐵的基體之中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)，提高了材料的強(qiáng)度；最后，鋼中添加鉻作為合金元素后，促使其內(nèi)部的矛盾運(yùn)動(dòng)向著有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展，鉻使鐵基固溶體的電極電位提高并且鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化。為了提高體心鐵基高溫合金的耐腐蝕能力，我們按照不銹鋼的經(jīng)典理論 Tammarm原則并考慮已有合金的成分范圍選擇鉻元素的合金化含量，其原子百分比選取為 21.2-30.6%。②鉬鉬元素是高溫合金中比較常用的一種合金化元素，能夠促進(jìn)鐵基合金體心結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定，其原子半徑(0. 140nm)比鐵的原子半徑(0. 127nm)大10. 2%，并且在!^e-Mo 二元相圖中可以看出，鉬元素在鐵的體心立方結(jié)構(gòu)中有一定的溶解度，添加一定量的鉬元素，可以溶入鐵的體心立方晶格中，造成嚴(yán)重的晶格畸變，形成強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，明顯提高合金的強(qiáng)度。另外鉬元素還能提高合金在高溫環(huán)境中的抗腐蝕、抗點(diǎn)蝕能力。根據(jù)i^e-Mo 二元相圖，鉬元素添加量的原子百分比為2. 9-4.5%。③鋁選取鋁作為合金化元素是為了提高材料的抗高溫氧化能力，在空氣環(huán)境中鋁在合金表面容易生成致密的氧化膜Al2O3，協(xié)同Cr2O3 —起阻斷氧氣進(jìn)一步向材料內(nèi)部擴(kuò)散的途徑，保護(hù)材料正常使用； 再者，鋁元素原子半徑(0. 143nm)比鐵的原子半徑(0. 127nm)大12. 6%，同時(shí)在!^-Al 二元相圖中可以看出，鋁可以作為固溶元素大量溶入鐵的基體之中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)，可以大大提高材料的強(qiáng)度，但是添加過(guò)多的鋁容易析出富Al的第二相使材料變脆，所以要適當(dāng)控制其含量；最后，為了保證添加的銅組元能夠穩(wěn)定地溶入鐵的基體之中，以鋁元素作為過(guò)渡性元素將銅元素協(xié)同帶入鐵的基體之中。通過(guò)以上分析，鋁元素添加量的原子百分比為 4. 1-7. 1%。④銅銅元素是提高合金耐腐蝕性能的重要組元之一，但是因?yàn)樵劂~與鐵、銅與鉬、銅與鉻兩兩組元之間具有強(qiáng)烈的排斥作用，在高溫環(huán)境中容易在晶界處析出而使合金首先從晶界處破壞，一般不作為鐵基高溫合金中的添加元素，但是為了提高合金在服役過(guò)程中的耐腐蝕能力，特添加了微量的銅元素作為合金化組元。銅元素的添加是通過(guò)第三組元鋁進(jìn)行的，但其添加量必須謹(jǐn)慎控制，以避免其含量過(guò)高而容易析出于晶界處，結(jié)合添加的鋁元素含量，銅的原子百分含量選取為0.4-1.3%。從以上分析可以看出，合金主要組元Cr、Mo都是體心結(jié)構(gòu)形成元素，可以預(yù)計(jì)合金能夠生成體心立方結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的成分合金采用高純度組元，元素按質(zhì)量百分比合金成分進(jìn)行配比；然后利用非自耗電弧熔煉爐在Ar氣保護(hù)下對(duì)配比的混合物進(jìn)行多次熔煉，以得到成分均勻的合金錠，然后利用銅模吸鑄快冷工藝將合金錠制備成直徑為IOmm的合金棒，作為試驗(yàn)用樣品；利用0M、XRD (Cu Ka輻射，λ = 0. 15406nm)與TEM檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)；用維氏硬度計(jì)進(jìn)行了硬度測(cè)試；然后在1100°C高溫空氣環(huán)境中進(jìn)行100小時(shí)抗氧化實(shí)驗(yàn)，判定抗高溫氧化能力的高低；模擬海水高Cl—環(huán)境(3. 5wt. % NaCl)在室溫下利用電化學(xué)工作站進(jìn)行合金材料的耐蝕性能測(cè)試，由此判定本發(fā)明中合金耐海水腐蝕能力的高低；在拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)其綜合機(jī)械性能。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(wt. % )Cr 20. 0-29. 2，Al 2. 0-3. 5，Mo 5. 0-8. 0，Cu0. 5-1. 5，F(xiàn)e余量的 ^-Cr-Mo-Al-Cu合金，材料性能指標(biāo)為合金在1100°C的高溫空氣環(huán)境中經(jīng)過(guò)100小時(shí)后，仍舊保持穩(wěn)定的單一體心立方結(jié)構(gòu)，在1100°C高溫空氣環(huán)境中具有完全抗氧化能力；合金硬度為Hv = 2. 45-2. 5IGPa ；在3. 5wt. % NaCl溶液中具有良好的耐腐蝕性能，腐蝕性能參數(shù)分別為自腐蝕電位E。。
= -0. 108-0. 094V,自腐蝕電流密度ic。
=1. 633-3. 146μ AcnT2，抗點(diǎn)蝕電位 Eb = 0. 910-0. 980V，腐蝕速率 16. 4-31. 5 μ m/年；合金的綜合機(jī)械性能良好，名義屈服強(qiáng)度σ a2 = 520_523MPa，抗拉強(qiáng)度為σ b = 629_642MPa，延伸率ε = 18-22%，斷面收縮率Ψ = 70-78%，彈性模量E = 164_167GPa。本發(fā)明的效果和益處是1.開(kāi)發(fā)出來(lái)新型綜合性能良好的鐵基i^e-Cr-Mo-Al-Cu 高溫合金，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(wt. % ), Cr :20. 0-29. 2，Al :2. 0-3. 5，Mo :5. 0-8. 0，Cu :0. 5-1. 5， 狗余量。合金成分可以準(zhǔn)確控制，合金生產(chǎn)成本相對(duì)較低，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，大大節(jié)省了貴重合金化元素和簡(jiǎn)化了復(fù)雜的生產(chǎn)工藝；2.合金在1100°C高溫空氣環(huán)境中容易保持穩(wěn)定的單相體心結(jié)構(gòu)，抗氧化能力等級(jí)為完全抗氧化；3.合金溶液流動(dòng)性比較好，具有良好的鑄造性能；4.合金具有良好的綜合機(jī)械性能，強(qiáng)度較高，可作為高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料使用，塑性良好，能進(jìn)行一系列的熱加工和冷加工；5.在海水中具有良好的抗腐蝕性能，是一類成本低廉的新型不銹鋼合金。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例1 Fe65.6Cr23.6Mo7.3Al2.7Cu。.8(wt· % )合金步驟一合金制備 Fe65.6Cr23.6Mo7.3A12.7Cu0.8合金，采用高純度組元，元素按質(zhì)量百分比進(jìn)行配料；將混合料放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉， 如此反復(fù)熔煉4次，得到成分均勻的合金錠；然后將熔煉均勻的合金錠最后熔化，并利用銅模吸鑄工藝將熔體吸入圓柱形銅模型腔中，得到直徑為IOmm的棒材。步驟二 高溫氧化實(shí)驗(yàn)按照高溫氧化標(biāo)準(zhǔn)HB 5258-2000，將合金在1100°C的高溫空氣環(huán)境中進(jìn)行100小時(shí)的高溫氧化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)單位面積的增重，單位面積單位時(shí)間的增重來(lái)統(tǒng)計(jì)氧化結(jié)果，最后判定合金材料在1100°C的高溫空氣環(huán)境中抗高溫氧化能力等級(jí)為完全抗氧化。步驟三合金結(jié)構(gòu)分析合金利用型號(hào)為BX51的奧林巴斯金相顯微鏡、型號(hào)為D8的布魯克X_ray衍射儀與型號(hào)為TECNAI G20-STWIN的透射電子顯微鏡檢測(cè)合金結(jié)構(gòu)，確定合金為單一的體心固溶體合金，合金基體在高達(dá)1100°C的空氣環(huán)境中氧化100小時(shí)后，仍保持穩(wěn)定的體心結(jié)構(gòu)。步驟四合金耐腐蝕性能測(cè)試模擬海水高Cl-環(huán)境(3. 5wt. % NaCl)在室溫下利用科思特電化學(xué)工作站進(jìn)行合金材料的耐海水腐蝕性能評(píng)價(jià)，其腐蝕性能參數(shù)分別為自腐蝕電位E。。
= -0. 108V，抗點(diǎn)蝕電位Eb = 0. 980V,自腐蝕電流密度icorr = 3. 146 μ AcnT2，腐蝕速率31. 5 μ m/年。步驟五合金硬度分析用型號(hào)為HVS-1000維氏硬度計(jì)對(duì)合金氧化后樣品進(jìn)行了硬度測(cè)試，合金硬度約為 Hv = 2. 5 IGPaο
步驟六合金綜合機(jī)械性能測(cè)試樣品在1100°C高溫空氣環(huán)境中退火2小時(shí)，參照GB T228-2002設(shè)計(jì)拉伸試樣，試樣表面經(jīng)1000#砂紙磨光，以消除加工痕跡，然后在型號(hào)為MTS810材料試驗(yàn)系統(tǒng)拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0. 5mm/min，試樣標(biāo)距為25mm。合金的綜合機(jī)械性能參數(shù)為名義屈服強(qiáng)度σα2 = 520ΜΡει，抗拉強(qiáng)度為ob = 6^MPa，延伸率ε =18%，斷面收縮率Ψ = 78%，彈性模量 E = 167GPa。實(shí)施例2 Fe63.3Cr26.7Al2.5Mo6.7Cu0.8(wt. % )合金步驟一合金制備同實(shí)施例一中的步驟一。步驟二 高溫氧化實(shí)驗(yàn)同實(shí)施例一中的步驟二，最后判定合金材料在1100°C的高溫空氣環(huán)境中抗高溫氧化能力等級(jí)為完全抗氧化。步驟三合金結(jié)構(gòu)分析同實(shí)施例一中的步驟三，確定合金為單一的體心固溶體合金，合金基體在高達(dá) 1100°C的空氣環(huán)境中氧化100小時(shí)后，仍保持穩(wěn)定的體心結(jié)構(gòu)。步驟四合金耐腐蝕性能測(cè)試同實(shí)施例一中的步驟四，其腐蝕性能參數(shù)分別為自腐蝕電位E。。
= -0. 094V，抗點(diǎn)蝕電位Eb = 0. 910V,自腐蝕電流密度icorr = 1.633 μ AcnT2，腐蝕速率16. 4 μ m/年。步驟五合金硬度分析同實(shí)施例一中的步驟五，合金硬度約為Hv = 2. 45GPa。步驟六合金綜合機(jī)械性能測(cè)試同實(shí)施例一中的步驟六，合金的綜合機(jī)械性能參數(shù)為名義屈服強(qiáng)度Qa2 = 523MPa，抗拉強(qiáng)度為σ b = 642MPa，延伸率ε =22%，斷面收縮率Ψ =70%，彈性模量E =164GPa0
權(quán)利要求
1. 一種Fe-Cr-Mo-Al-Cu耐蝕高溫合金，其特征在于它包括佝、Cr、Mo、Al、Cu元素，其合金成分的質(zhì)量百分比為(wt. % ), Cr :20. 0-29. 2，Al :2. 0-3. 5，Mo :5. 0-8. 0，Cu 0. 5-1. 5，F(xiàn)e 余量。
全文摘要
一種Fe-Cr-Mo-Al-Cu耐蝕高溫合金，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于它包括Fe、Cr、Mo、Al、Cu元素，其合金成分的質(zhì)量百分比為(wt.％)，Cr20.0-29.2，Al2.0-3.5，Mo5.0-8.0，Cu0.5-1.5，F(xiàn)e余量。材料性能指標(biāo)為合金在1100℃高溫空氣環(huán)境中經(jīng)過(guò)氧化后仍為體心立方結(jié)構(gòu)；合金硬度為Hv＝2.45-2.51GPa；在3.5wt.％NaCl溶液中具有良好的耐腐蝕性能，自腐蝕電位Ecorr＝-0.108--0.094V；合金的抗拉強(qiáng)度為σb＝629-642MPa，延伸率ε＝18-22％。本發(fā)明的效果和益處是開(kāi)發(fā)出了一種新型低成本的Fe-Cr-Mo-Al-Cu耐蝕高溫合金，在1100℃高溫空氣環(huán)境中具有完全抗氧化能力；具有良好的綜合機(jī)械性能，可作為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料使用，并可進(jìn)行冷熱加工；在高氯環(huán)境中具有良好的抗腐蝕性能，可以用于航海、石油等高氯環(huán)境中。
文檔編號(hào)C22C38/22GK102230132SQ20111019665
公開(kāi)日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者李寶增, 王清, 王英敏, 羌建兵, 董闖 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)