Ti改性NiAl－Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物的制作方法
专利名称：Ti改性NiAl－Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物。
背景技术：
目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高比强的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。更为迫切的是目前以Ni、Co基为代表的高温合金由于受到熔点的限制，已接近其使用的极限温度。即使是加入了大量贵金属的三代高温合金单晶，其使用温度也不超过1100℃。为满足新一代燃气涡轮发动机的需求，急需开发承温能力为1150℃的高温结构材料。
B2结构长程有序NiAl的熔点高达1638℃，比镍基高温合金高300～350℃，使用温度可望达到1250℃；其密度(5.86g/cm3)仅为镍基高温合金的2/3，合金化后的密度也仅为6.0g/cm3左右，从而可有效地提高比强度，降低工件重量；NiAl的导热率大，为一般镍基高温合金的4～8倍，可使得热端部件的温度梯度减小，从而降低热应力，提高冷热疲劳性能；此外，NiAl还具有优异的抗氧化性能。当前，常温脆性和高温强度是限制其实用化的主要障碍。
为解决NiAl金属间化合物的高温强度问题，美国GE公司发展了两种高强度NiAl合金AFN-12(Ni-48.45Al-0.5Hf-1.0Ti-0.05Ga)和AFN-20(Ni-44.45Al-0.5Hf-5.0Ti-0.05Ga)，这两种合金具有良好的高温强度，优异的物理性能，AFN-12合金持久强度达到Rene80合金水平，但其密度仅为6.0g/cm3。AFN-20合金持久强度达到ReneN4合金水平，其密度仅为6.12g/cm3。这两个合金的蠕变强度和疲劳强度也都接近或等于Rene80和ReneN4合金水平。两合金的热导率优异，分别为Rene5合金的4倍和2倍。但是此两种合金的室温塑性几乎为0，断裂韧性也仅有4～5MPa·m1/2。
原位自生复合材料技术是解决材料室温脆性和高温强度问题的有效途径之一。添加合金元素Cr、Mo、V、W等，可与NiAl形成伪二元共晶系，利用其内生的难熔金属相可使得强度提高、断裂韧性增加。共晶组织的层片状组织非常细小，层间距相距只有十分之几至几个微米，位错的平均自由程很小，在相与相之间的钉扎导致Hall-Petch型强化，例如，NiAl-15.5Ta共晶合金的蠕变强度达到了单晶高温合金NASAIR100的水平。另外，共晶合金中的塑性相与NiAl脆性相中的裂纹能够产生交互作用，直观的表现为裂纹桥接，裂纹偏转和裂纹钝化，使得NiAl伪共晶合金的韧性得到提高，如NiAl-Cr(Mo)共晶的断裂韧性为17～22MPa·m1/2，其抗冲击性能也好于AFN-12。在NiAl-Cr(Mo)共晶合金的基础上，进行进一步的成份设计和组织设计，是提高NiAl金属间化合物综合性能的有效途径。
目前的研究表明，在多相合金的状态下，与等原子比的NiAl合金相比，富Ni的NiAl合金具有良好的室温塑性，如国外Ishida等在富Ni的NiAl中加入第三元素Co、Cu，其成分为Ni-26Al-50Co、Ni-24Al-30Cu，其室温拉伸塑性分别达到10.2％、2.5％，但高温强度偏低。富Ni的NiAl合金由于Ni原子百分数的增多，其高温强度会略有下降，为此，需要在富Ni基体的伪共晶合金的基础上通过增加一些强烈的第三相形成元素如Ta、Zr、Hf、Ti等来形成强化相，进一步对合金进行沉淀强化。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，通过在NiAl-Cr(Mo)合金的基础上，在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金的改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度。以此开发出新型的低密度、高比强度的高温结构金属间化合物，减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，从而带来巨大的社会和经济效益以及满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。
本发明是一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。
所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，可经是Ni-28Al-30Ct-4Mo-5Ti或Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Ti或Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Ti或Ni-l6Al-30Cr-4Mo-17Ti。
所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其密度为6.0～6.4g/cm3，室温屈服强度为1300～2200MPa。
本发明Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物的优点在于适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度，以此形成在室温和高温都具有较好综合性能的新型结构金属间化合物；该金属间化合物密度为6.0～6.4g/cm3，室温屈服强度为1300～2200MPa，较未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高50％～150％，较等原子比NiAl金属间化合物提高120％～240％。压缩塑性大于35％，较未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高24％，较等原子比NiAl金属间化合物提高240％。改性后合金的断裂韧性与NiAl-Cr(Mo)合金的韧性值相当，可达14～19MPa·m1/2，在600℃～800℃之间具有良好的力学性能，具有低密度、高强度的优点。与未改性的NiAl-Cr(Mo)合金相比优势是很明显的600℃、800℃下，未改性的NiAl-Cr(Mo)合金铸锭的压缩屈服强度分别为700MPa、500Mpa。而本项发明系列成分的合金之一Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti合金在600℃、800℃下的压缩屈服强度分别1200MPa为800MPa，分别比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金高出70％和60％；在1150℃时的屈服强度达到110～130MPa。
图1是Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti金属间化合物的不同温度下的压缩实验结果。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，是针对NiAl金属间化合物的室温脆性和高温强度问题，在NiAl双向共晶合金的基础上开发出一种Ti元素改性的新型高温高比强的多相共晶基合金，该合金能替代传统高温合金，减轻结构重量，降低能耗并带来巨大的社会和经济效益，以及进一步满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。
本发明Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，所需原料由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。
在本发明中，Ti原子百分比的较佳取值范围为5～8。
本发明的金属间化合物采用真空电弧熔炼法制备，该方法是将按比例称取的原料放入非自耗真空电弧炉中熔炼铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度2500℃～3000℃，翻炼3～6次，原料熔炼均匀即可。其制备过程中，通过改变合金中铝(Al)元素的含量并同时添加相应含量的钛(Ti)元素来控制合金的室温和高温力学性能。
将制得的金属间化合物锭材进行力学性能分析(一)采用线切割方法切取样品进行组份分析，通过精确测量样品的质量和体积，计算金属间化合物的密度为6.0～6.4g/cm3，样品为直径6mm，长度9mm的圆柱体。
(二)采用材料力学实验机(MTS)进行室温(18℃)和高温力学性能的测试其室温屈服强度为1300～2200MPa，较未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高50％～150％，较等原子比NiAl合金提高120％～240％；压缩塑性大于35％，较未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高24％，较等原子比NiAl金属间化合物提高240％。
本发明金属间化合物在600℃～800℃的高温屈服强度分别为1200MPa、800MPa，较未添加Ti元素的NiAl-Cr(Mo)合金提高了70％和60％。
采用Instrons设备进行高温1150℃力学性能的测试，实验样品为直径6mm，长度9mm的圆柱体；其屈服强度为110～130MPa。
(三)采用材料力学实验机(MTS)进行室温(18℃)材料断裂韧性的测试，实验样品为6mm×6mm×30mm的方柱体，测试时的应变速率为0.02mm/min，断裂韧性值为14～19MPa·m1/2。
本发明金属间化合物通过在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度，以此形成在室温和高温都具有较好综合性能的新型结构金属间化合物。
本发明开发出一种新型的低密度、高比强度的金属间化合物，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，从而带来巨大的社会和经济效益以及满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。
实施例1制Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti金属间化合物按照名义成分为Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti(原子百分比)进行配料，其原材料的纯度均为99.999％。
采用非自耗真空电弧炉熔炼Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti合金铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度3000℃，翻炼4次，原料熔炼均匀即可。
将制得的金属间化合物棒材采用高温热处理炉在1200℃下保温12小时后随炉冷却至室温。
采用线切割方法从热处理后的Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti锭材上切取直径6mm，高度9mm的圆柱体样品以及6mm×6mm×30mm的方柱体进行力学性能测试。
采用1111型精确度为10-4g的电子天平测量样品的质量M，使用精确度为10-2mm的游标卡尺测量样品的端面直径D和长度L，采用公式ρ＝4M×D-2×(πL)-1计算Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti金属间化合物密度ρ(公式中π为圆周率)，其密度为6.06g/cm3。
请参见图1所示，采用MTS-880型万能材料实验机进行力学性能测试，其室温屈服强度为1400MPa，压缩塑性大于35％；其200℃屈服强度为1100MPa，压缩塑性大于37％；其400℃屈服强度为1000MPa，压缩塑性大于41％；其600℃屈服强度为900MPa，压缩塑性大于50％；其800℃屈服强度为400MPa，压缩塑性大于50％；其1150℃屈服强度为120MPa，压缩塑性大于50％。
实施例2制Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti金属间化合物按照名义成分为Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti(原子百分比)进行配料，其原材料的纯度均为99.999％。
采用非自耗真空电弧炉熔炼Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti合金铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度2700℃，翻炼6次，原料熔炼均匀即可。
将制得的金属间化合物棒材采用高温热处理炉在1200℃下保温12小时后随炉冷却至室温。
Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti金属间化合物的力学性能测试条件与实施例1相同，其密度为6.32g/cm3；室温屈服强度为2200MPa，压缩塑性大于35％；600℃屈服强度为1200MPa，压缩塑性大于50％；800℃屈服强度为800MPa，压缩塑性大于50％；1150℃屈服强度为130MPa，压缩塑性大于50％。
下表为不同组份的金属间化合物在熔炼温度3000℃条件下的力学性能
本发明人通过在Ni-16～32Al-30Cr-4Mo-1～17Ti金属间化合物共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度。
权利要求
1.一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。
2.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物的成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，5～11at％的Ti和余量的Al。
3.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物的成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，5～8at％的Ti和余量的Al。
4.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti。
5.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Ti。
6.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Ti。
7.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti。
8.根据权利要求1或2或3所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于金属间化合物密度为6.0～6.4g/cm3，室温屈服强度为1300～2200MPa。
全文摘要
本发明公开了一种Ti改性NiAl－Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。通过在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl－Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21－Ni
文档编号C22C30/00GK1970805SQ20061016512
公开日2007年5月30日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者徐惠彬, 张志刚, 宫声凯, 刘先斌, 汤林志 申请人:北京航空航天大学
技术领域：
本发明涉及一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物。
背景技术：
目前，在动力、石化、运输、特别是航空及航天等工业领域，应用在600℃以上的金属结构材料通常为镍基、铁基和钴基高温合金。这些材料具有较高的密度(一般在8.0g/cm3以上)，所制成的构件和设备重量大，为了减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，必须开发低密度、高比强的新型高温合金以适应相关工业领域未来发展的需要。更为迫切的是目前以Ni、Co基为代表的高温合金由于受到熔点的限制，已接近其使用的极限温度。即使是加入了大量贵金属的三代高温合金单晶，其使用温度也不超过1100℃。为满足新一代燃气涡轮发动机的需求，急需开发承温能力为1150℃的高温结构材料。
B2结构长程有序NiAl的熔点高达1638℃，比镍基高温合金高300～350℃，使用温度可望达到1250℃；其密度(5.86g/cm3)仅为镍基高温合金的2/3，合金化后的密度也仅为6.0g/cm3左右，从而可有效地提高比强度，降低工件重量；NiAl的导热率大，为一般镍基高温合金的4～8倍，可使得热端部件的温度梯度减小，从而降低热应力，提高冷热疲劳性能；此外，NiAl还具有优异的抗氧化性能。当前，常温脆性和高温强度是限制其实用化的主要障碍。
为解决NiAl金属间化合物的高温强度问题，美国GE公司发展了两种高强度NiAl合金AFN-12(Ni-48.45Al-0.5Hf-1.0Ti-0.05Ga)和AFN-20(Ni-44.45Al-0.5Hf-5.0Ti-0.05Ga)，这两种合金具有良好的高温强度，优异的物理性能，AFN-12合金持久强度达到Rene80合金水平，但其密度仅为6.0g/cm3。AFN-20合金持久强度达到ReneN4合金水平，其密度仅为6.12g/cm3。这两个合金的蠕变强度和疲劳强度也都接近或等于Rene80和ReneN4合金水平。两合金的热导率优异，分别为Rene5合金的4倍和2倍。但是此两种合金的室温塑性几乎为0，断裂韧性也仅有4～5MPa·m1/2。
原位自生复合材料技术是解决材料室温脆性和高温强度问题的有效途径之一。添加合金元素Cr、Mo、V、W等，可与NiAl形成伪二元共晶系，利用其内生的难熔金属相可使得强度提高、断裂韧性增加。共晶组织的层片状组织非常细小，层间距相距只有十分之几至几个微米，位错的平均自由程很小，在相与相之间的钉扎导致Hall-Petch型强化，例如，NiAl-15.5Ta共晶合金的蠕变强度达到了单晶高温合金NASAIR100的水平。另外，共晶合金中的塑性相与NiAl脆性相中的裂纹能够产生交互作用，直观的表现为裂纹桥接，裂纹偏转和裂纹钝化，使得NiAl伪共晶合金的韧性得到提高，如NiAl-Cr(Mo)共晶的断裂韧性为17～22MPa·m1/2，其抗冲击性能也好于AFN-12。在NiAl-Cr(Mo)共晶合金的基础上，进行进一步的成份设计和组织设计，是提高NiAl金属间化合物综合性能的有效途径。
目前的研究表明，在多相合金的状态下，与等原子比的NiAl合金相比，富Ni的NiAl合金具有良好的室温塑性，如国外Ishida等在富Ni的NiAl中加入第三元素Co、Cu，其成分为Ni-26Al-50Co、Ni-24Al-30Cu，其室温拉伸塑性分别达到10.2％、2.5％，但高温强度偏低。富Ni的NiAl合金由于Ni原子百分数的增多，其高温强度会略有下降，为此，需要在富Ni基体的伪共晶合金的基础上通过增加一些强烈的第三相形成元素如Ta、Zr、Hf、Ti等来形成强化相，进一步对合金进行沉淀强化。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，通过在NiAl-Cr(Mo)合金的基础上，在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金的改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度。以此开发出新型的低密度、高比强度的高温结构金属间化合物，减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，从而带来巨大的社会和经济效益以及满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。
本发明是一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。
所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，可经是Ni-28Al-30Ct-4Mo-5Ti或Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Ti或Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Ti或Ni-l6Al-30Cr-4Mo-17Ti。
所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其密度为6.0～6.4g/cm3，室温屈服强度为1300～2200MPa。
本发明Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物的优点在于适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度，以此形成在室温和高温都具有较好综合性能的新型结构金属间化合物；该金属间化合物密度为6.0～6.4g/cm3，室温屈服强度为1300～2200MPa，较未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高50％～150％，较等原子比NiAl金属间化合物提高120％～240％。压缩塑性大于35％，较未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高24％，较等原子比NiAl金属间化合物提高240％。改性后合金的断裂韧性与NiAl-Cr(Mo)合金的韧性值相当，可达14～19MPa·m1/2，在600℃～800℃之间具有良好的力学性能，具有低密度、高强度的优点。与未改性的NiAl-Cr(Mo)合金相比优势是很明显的600℃、800℃下，未改性的NiAl-Cr(Mo)合金铸锭的压缩屈服强度分别为700MPa、500Mpa。而本项发明系列成分的合金之一Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti合金在600℃、800℃下的压缩屈服强度分别1200MPa为800MPa，分别比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金高出70％和60％；在1150℃时的屈服强度达到110～130MPa。
图1是Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti金属间化合物的不同温度下的压缩实验结果。
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，是针对NiAl金属间化合物的室温脆性和高温强度问题，在NiAl双向共晶合金的基础上开发出一种Ti元素改性的新型高温高比强的多相共晶基合金，该合金能替代传统高温合金，减轻结构重量，降低能耗并带来巨大的社会和经济效益，以及进一步满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。
本发明Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，所需原料由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。
在本发明中，Ti原子百分比的较佳取值范围为5～8。
本发明的金属间化合物采用真空电弧熔炼法制备，该方法是将按比例称取的原料放入非自耗真空电弧炉中熔炼铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度2500℃～3000℃，翻炼3～6次，原料熔炼均匀即可。其制备过程中，通过改变合金中铝(Al)元素的含量并同时添加相应含量的钛(Ti)元素来控制合金的室温和高温力学性能。
将制得的金属间化合物锭材进行力学性能分析(一)采用线切割方法切取样品进行组份分析，通过精确测量样品的质量和体积，计算金属间化合物的密度为6.0～6.4g/cm3，样品为直径6mm，长度9mm的圆柱体。
(二)采用材料力学实验机(MTS)进行室温(18℃)和高温力学性能的测试其室温屈服强度为1300～2200MPa，较未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高50％～150％，较等原子比NiAl合金提高120％～240％；压缩塑性大于35％，较未改性的NiAl-Cr(Mo)共晶合金提高24％，较等原子比NiAl金属间化合物提高240％。
本发明金属间化合物在600℃～800℃的高温屈服强度分别为1200MPa、800MPa，较未添加Ti元素的NiAl-Cr(Mo)合金提高了70％和60％。
采用Instrons设备进行高温1150℃力学性能的测试，实验样品为直径6mm，长度9mm的圆柱体；其屈服强度为110～130MPa。
(三)采用材料力学实验机(MTS)进行室温(18℃)材料断裂韧性的测试，实验样品为6mm×6mm×30mm的方柱体，测试时的应变速率为0.02mm/min，断裂韧性值为14～19MPa·m1/2。
本发明金属间化合物通过在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度，以此形成在室温和高温都具有较好综合性能的新型结构金属间化合物。
本发明开发出一种新型的低密度、高比强度的金属间化合物，可以减轻结构重量，提高效率，降低能源消耗，从而带来巨大的社会和经济效益以及满足新一代燃气涡轮发动机用合金需达到承温能力1150℃的要求。
实施例1制Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti金属间化合物按照名义成分为Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti(原子百分比)进行配料，其原材料的纯度均为99.999％。
采用非自耗真空电弧炉熔炼Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti合金铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度3000℃，翻炼4次，原料熔炼均匀即可。
将制得的金属间化合物棒材采用高温热处理炉在1200℃下保温12小时后随炉冷却至室温。
采用线切割方法从热处理后的Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti锭材上切取直径6mm，高度9mm的圆柱体样品以及6mm×6mm×30mm的方柱体进行力学性能测试。
采用1111型精确度为10-4g的电子天平测量样品的质量M，使用精确度为10-2mm的游标卡尺测量样品的端面直径D和长度L，采用公式ρ＝4M×D-2×(πL)-1计算Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti金属间化合物密度ρ(公式中π为圆周率)，其密度为6.06g/cm3。
请参见图1所示，采用MTS-880型万能材料实验机进行力学性能测试，其室温屈服强度为1400MPa，压缩塑性大于35％；其200℃屈服强度为1100MPa，压缩塑性大于37％；其400℃屈服强度为1000MPa，压缩塑性大于41％；其600℃屈服强度为900MPa，压缩塑性大于50％；其800℃屈服强度为400MPa，压缩塑性大于50％；其1150℃屈服强度为120MPa，压缩塑性大于50％。
实施例2制Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti金属间化合物按照名义成分为Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti(原子百分比)进行配料，其原材料的纯度均为99.999％。
采用非自耗真空电弧炉熔炼Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti合金铸锭，真空度大于5×10-3Pa，熔炼温度2700℃，翻炼6次，原料熔炼均匀即可。
将制得的金属间化合物棒材采用高温热处理炉在1200℃下保温12小时后随炉冷却至室温。
Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti金属间化合物的力学性能测试条件与实施例1相同，其密度为6.32g/cm3；室温屈服强度为2200MPa，压缩塑性大于35％；600℃屈服强度为1200MPa，压缩塑性大于50％；800℃屈服强度为800MPa，压缩塑性大于50％；1150℃屈服强度为130MPa，压缩塑性大于50％。
下表为不同组份的金属间化合物在熔炼温度3000℃条件下的力学性能
本发明人通过在Ni-16～32Al-30Cr-4Mo-1～17Ti金属间化合物共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl-Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni2AlTi)相形成趋势，在室温塑性和韧性较好的富Ni的NiAl-Cr(Mo)两相组织的基础上引入适当的Heusler相来进一步提高共晶合金的高温强度。
权利要求
1.一种Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。
2.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物的成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，5～11at％的Ti和余量的Al。
3.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物的成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，5～8at％的Ti和余量的Al。
4.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Ti。
5.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Ti。
6.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-24Al-30Cr-4Mo-9Ti。
7.根据权利要求1所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于所述金属间化合物是Ni-16Al-30Cr-4Mo-17Ti。
8.根据权利要求1或2或3所述的Ti改性NiAl-Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其特征在于金属间化合物密度为6.0～6.4g/cm3，室温屈服强度为1300～2200MPa。
全文摘要
本发明公开了一种Ti改性NiAl－Cr(Mo)多相共晶新型结构金属间化合物，其由纯度99.999％的镍(Ni)、纯度99.999％的铝(Al)、纯度99.999％的铬(Cr)、纯度99.999％的钼(Mo)以及纯度99.999％的钛(Ti)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，3～17at％的Ti和余量的Al。通过在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量并添加Ti元素对NiAl－Cr(Mo)双相合金进行了改性，通过Ti元素与NiAl强烈的Heusler(L21－Ni
文档编号C22C30/00GK1970805SQ20061016512
公开日2007年5月30日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者徐惠彬, 张志刚, 宫声凯, 刘先斌, 汤林志 申请人:北京航空航天大学
最新回复(0)