专利名称：一种金属间化合物的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属间化合物的制备方法。
技术背景目前已有的金属间化合物制备方法中，熔铸冶金法工艺简单，产品成本低，生产效率高， 但这种方法获得的材料铸态组织晶粒粗大，成分易偏析。粉末冶金与微粒燃烧合成法有效地 改善了金属间化合物的力学性能，但成本较高，且难于制备大型块体，不适于规模化工业生 产。熔融金属铸造成形技术可得到非常稳定的Ti-Al金属间化合物，其缺点在于制备的金属 间化合物存在明显的各向异性。快速凝固法只能制备厚度为30~5(Vm的金属间化合物薄带。 SHS原位合成技术改善了 Ni/Al金属间化合物的脆性和断裂韧性，但该工艺获得的金属间化 合物材料的均匀性不很理想，且对真空度等工艺条件要求非常严格。 发明内容本发明的目的在于克服现有金属间化合物制备技术存在的不足，提供一种工艺流程合理、 周期短；制品性能可进行优化设计及有效控制，制品规格完整，适于工业规模生产高性能金 属间化合物的制备方法。并能获得较大尺寸的具有晶粒细化特征的金属间化合物板材，解决 金属间化合物材料不易成型的难题。实现本发明目的的技术方案是以金属箔材为原料，按如下工艺步骤进行(1) 先确定金属间化合物类型和形状，选择原料箔材成分和厚度；(2) 对选定的原料箔材，在清理液中完成除油、除脂及表面活化处理； G)将表面处理后的原料箔材进行交替层叠，制成轧制坯料，轧制坯料厚度为3-10mm;(4) 将轧制坯料送入加热炉，在氩气保护下，加热到100~180°C，并保温20 60min; 同时将轧辊预热，辊面预热温度与坯料加热温度相同；最后将加热后坯料送入轧机轧制成复 合板，轧制压下率为40~70%;(5) 对温轧后的复合板进行切边，然后在轧机上进行冷轧减薄，冷轧的道次压下率为10~20%;(6) 将冷轧复合板送入热处理炉进行固相合金化热处理，热处理温度为400 68(TC，热 处理时间为l~5h。金属箔材原料是铁箔和铝箔、镍箔和铝箔或钛箔和铝箔。上述原料铁箔、镍箔、钛箔和铝箔要求质量纯度均>99.9%，原材料厚度为10 30nm。 '对原料箔材，在清理液中完成除油、除脂及表面活化处理是先在四氯化碳溶液中浸泡5分钟，然后在丙酮溶液中浸泡5分钟，从丙酮溶液中取出后，在清水中浸泡5分钟，之后 烘干；然后用30 8(TC的5 10wt。/。的NaOH溶液碱洗5-15min，流动清水冲洗后，用20-50 'C的20wt。/。的HN03溶液酸洗l-5min，经流动清水冲洗后风干。对轧制坯料进行温轧复合和对温轧后的复合板进行冷轧减薄均选用四辊轧机进行轧制。 金属间化合物复合板经过热处理后使复合板完成整体合金化，晶粒尺寸为2~20pm。 本发明与现有技术相比较，具有的优点和产生的积极效果是本发明以目标金属间化合物为指引，通过对原料箔材成分及厚度选择，轧制压下率等轧 制工艺参数控制，热处理温度及时间的调节，实现金属间化合物材料的优化设计，其制备方 法简单合理、流程短、制备出高性能的金属间化合物板材，更加拓宽了金属间化合物的应用 领域。本发明最显著的特点就是首次提出了通过冷轧过程使复合板发生强烈塑性变形并获得微 米级分层厚度。这可以使复合板内各层间的组织破碎，晶粒拉长，对轧后热处理过程中界面 形核、再结晶及晶粒细化会产生显著的作用。采用本发明制备的金属间化合物具有均匀的微细组织，平均晶粒尺寸为2 20nm，金属间 化合物的室温脆性和高温强韧性得到明显改善。己有技术的研究成果显示，Fe3Al在室温下的 拉伸伸长率仅3%左右，600。C条件下拉伸强度低于350MPa。而采用本方法制备的Fe3Al金属 间化合物由于有效地细化了晶粒(平均晶粒尺寸为10~15^m)，同时消除了材料内部缺陷，制 备得到的Fe3Al金属间化合物的室温拉伸伸长率达到了 15~18%，室温抗拉强度达到 720 780MPa， 600。C下抗拉强度为480 540MPa。采用本方法制备的Ni3Al金属间化合物材料 的室温拉伸伸长率可达35~42%，达到了该类材料拉伸性能的国际水平。目前已知的Ti3Al/TiAl 层片状结构材料的室温拉伸伸长率最高可达2~3%，而采用本方法制得的Ti3Al/TiAll层片状 结构的金属间化合物室温伸长率可达3~4%。
具体实施方式
实施例1:规格为75mmxl0mmx 1.25mm的Fe3Al金属间化合物板材。采用Fe含量为 99.98%的纯铁箔和铝含量为99.96%的纯铝箔为原料，经过最初的原料箔材厚度选择及温轧后 复合板实际分层厚度的测定，确定实际原料箔材的规格为纯铁箔15mmxl2mmx0.027mm; 纯铝箔15mmxl2mmx0.01mm。两种原料箔材在四氯化碳溶液中浸泡5分钟，后在丙酮溶液 中浸泡5分钟，从丙酮溶液中取出后在清水中浸泡5分钟，之后烘干，完成坯料的除油、除 脂。对除油、除脂后的铝箔，用30。C的5^NaOH溶液碱洗15min，流动清水冲洗后，用20°C 的20XHNO3溶液酸洗5min，经流动清水冲洗后风干，完成铝箔的表面活化。清理后的箔材 按交替层叠的方式制成轧制坯料，坯料中含两种箔材各200张，轧制坯料厚度为7.4mm。轧制坯料送入10kW电炉中进行加热，加热温度10(TC，保温时间为60min，加热时向炉内通入 氩气。坯料加热同时对(p50mm四辊轧机的工作辊进行预热，预热温度为IOO'C。加热后的坯 料送入cp50mm四辊轧机进行温轧复合，轧制压下率为50%，温轧后复合板厚度为3.7mm。 温轧复合板经切边后送入(p50mm四辊轧机进行冷轧减薄，冷轧道次压下率为10%,共轧制 10道次，冷轧后复合板的厚度为1.25mm。冷轧复合板内铁箔的分层厚度为2~6pm，铝箔的 分层厚度为l~4nm。冷轧后的复合板在15kW电炉中进行整体固相合金化热处理，热处理温 度为400。C，热处理时间为3h。整体固相合金化处理后，复合板经扩散与相变成为单一、均 匀的Fe3Al金属间化合物板材，平均晶粒尺寸为10~15nm。经测试，采用本方法制得的Fe3Al 金属间化合物的室温伸长率可达15~18%，室温抗拉强度可达72(K780MPa， 600'C下抗拉强 度为480 540MPa。实施例2:从原料箔材厚度选择至获得具有Fe/Al层片状特征的冷轧复合板的工艺流程与 实施例1相同。不同的是冷轧后的复合板在15kW电炉中进行整体固相合金化热处理，热处 理温度为45(TC，热处理时间为lh。整体固相合金化处理后，复合板经扩散与相变成为单一、 均匀的Fe3Al金属间化合物板材，平均晶粒尺寸为12 18pm。经测试，采用本方法制得的Fe3Al 金属间化合物的室温伸长率可达13~16%，室温抗拉强度可达700 750MPa， 60(TC下抗拉强 度为450 500MPa。实施例3:规格为60mmxl0mmxl.5mm的Ni3Al金属间化合物板材。采用Ni含量为99.99% 的纯镍箔和铝含量为99.96%的纯铝箔为原料，经过最初的原料箔材厚度选择及温轧后复合板 实际分层厚度的测定，确定实际原料箔材的规格为纯镍箔12mmxl2mmx0.025mm;纯铝箔 12mmxl2mmx0.01mm。两种原料箔材在四氯化碳溶液中浸泡5分钟，后在丙酮溶液中浸泡5 分钟，从丙酮溶液中取出后在清水中浸泡5分钟，之后烘干，完成坯料的除油、除脂。对除 油、除脂后的铝箔，用5(TC的10%NaOH溶液碱洗10min，流动清水冲洗后，用40'C的20 XHN03溶液酸洗4min，经流动清水冲洗后风干，完成铝箔的表面活化。清理后的箔材按交 替层叠的方式制成轧制坯料，坯料中含两种箔材各280张，轧制坯料厚度为9.8mm。轧制坯 料送入10kW电炉中进行加热，加热温度150°C，保温时间为30min，加热时向炉内通入氩气。 坯料加热同时对(p50mm四辊轧机的工作辊进行预热，预热温度为15(TC。加热后的坯料送入 cp50mm四辊轧机进行温轧复合，轧制压下率为70%,温轧后复合板厚度为3mm。温轧复合 板经切边后送入cp50mm四辊轧机进行冷轧减薄，冷轧道次压下率为15%,共轧制4道次， 冷轧后复合板的厚度为1.5mm。冷轧复合板内镍箔的分层厚度为2~5pm，铝箔的分层厚度为 l~4|um。冷轧后的复合板在15kW电炉中进行整体固相合金化热处理，热处理温度为60(TC， 热处理时间为3h。整体固相合金化处理后，复合板经扩散与相变成为单一、均匀的NbAl金属间化合物板材，平均晶粒尺寸为5~l(Him。经测试，采用本方法制得的Ni3Al金属间化合物 室温伸长率可达35~42%。实施例4:从原料箔材厚度选择至获得具有Ni,Al层片状特征的冷轧复合板的工艺流程与 实施例3相同。不同的是冷轧后的复合板在15kW电炉中进行整体固相合金化热处理，热处 理温度为550'C，热处理时间为5h。整体固相合金化处理后，复合板经扩散与相变成为单一、 均匀的Ni3Al金属间化合物板材，平均晶粒尺寸为2~8pm。经测试，采用本方法制得的Ni3Al 金属间化合物室温伸长率可达32~40%。实施例5:规格为40mmxl0mmxl.2mm的Ti3Al/TiAl两相层片结构的金属间化合物板材。 采用Ti含量为99.95%的纯钛箔和铝含量为99.96%的纯铝箔为原料，经过最初的原料箔材厚 度选择及温轧后复合板实际分层厚度的测定，确定实际原料箔材的规格为纯钛箔 15mmxl2mmx0.025mm;纯铝箔15mmxl2mmx0.01mm。两种原料箔材在四氯化碳溶液中浸 泡5分钟，后在丙酮溶液中浸泡5分钟，从丙酮溶液中取出后在清水中浸泡5分钟，之后烘 干，完成坯料的除油、除脂。对除油、除脂后的铝箔，用8(TC的5^NaOH溶液碱洗5min， 流动清水冲洗后，用5(TC的20%HNO3溶液酸洗lmin，经流动清水冲洗后风干，完成铝箔 的表面活化。清理后的箔材按交替层叠的方式制成轧制坯料，坯料中含两种箔材各100张， 轧制坯料厚度为3.5mm。轧制坯料送入10kW电炉中进行加热，加热温度180°C，保温时间 为20min，加热时向炉内通入氩气。坯料加热同时对cp50mm四辊轧机的工作辊进行预热，预 热温度为18(TC。加热后的坯料送入(p50mm四辊轧机进行温轧复合，轧制压下率为40%，温 轧后复合板厚度为2.1mm。温轧复合板经切边后送入cp50mm四辊轧机进行冷轧减薄，冷轧 道次压下率为20%，共轧制3道次，冷轧后复合板的厚度为1.2mm。冷轧复合板内钛箔的分 层厚度为5 10^un，铝箔的分层厚度为2 6pm。冷轧后的复合板在15kW电炉中进行整体固相 合金化热处理，热处理温度为620'C，热处理时间为4h。整体固相合金化处理后，复合板经 扩散与相变成为以Ti3Al金属间化合物为主，含有少量TiAl金属间化合物的层片状结构，Ti3Al 的平均晶粒尺寸为15~18pm， TiAl的平均晶粒尺寸为3~6pm。经测试，采用本方法制得的 Ti3Al/TiAl两相层片结构金属间化合物室温伸长率可达3~4%。实施例6:至获得具有Ti/Al层片状特征的冷轧复合板的工艺流程与实施例5相同。不同 的是冷轧后的复合板在15kW电炉中进行整体固相合金化热处理，热处理温度为68(TC，热 处理时间为2h。整体固相合金化处理后，复合板经扩散与相变成为以Ti3Al金属间化合物为 主，含有少量TiAl金属间化合物的层片状结构，Ti3Al的平均晶粒尺寸为15 2(Hun， TiAl的 平均晶粒尺寸为2~5pm。经测试，采用本方法制得的Ti3Al/TiAl两相层片结构金属间化合物 室温伸长率可达2~3%。
权利要求
1、一种金属间化合物的制备方法，其特征在于以金属箔材为原料，工艺步骤是(1)先确定金属间化合物类型和形状，选择原料箔材成分和厚度；(2)对选定的原料箔材，在清理液中完成除油、除脂及表面活化处理；(3)将表面处理后的原料箔材进行交替层叠，制成轧制坯料，轧制坯料厚度为3～10mm；(4)将轧制坯料送入加热炉，在氩气保护下，加热到100～180℃，并保温20～60min；同时将轧辊预热，辊面预热温度与坯料加热温度相同；最后将加热后坯料送入轧机轧制成复合板，轧制压下率为40～70％；(5)对温轧后的复合板进行切边，然后在轧机上进行冷轧减薄，冷轧的道次压下率为10～20％；(6)将冷轧复合板送入热处理炉进行固相合金化热处理，热处理温度为400～680℃，热处理时间为1～5h。
2、 按照权利要求1所述的金属间化合物的制备方法，其特征在于金属箔材原料是铁箔 和铝箔、镍箔和铝箔或钛箔和铝箔。
3、 按照权利要求1或2所述的金属间化合物的制备方法，其特征在于要求原料铁箔、 镍箔、钛箔和铝箔质量纯度均>99.9%，原材料厚度为10 30pm。
4、 按照权利要求1所述的金属间化合物的制备方法，其特征在于所述的对原料箔材， 在清理液中完成除油、除脂及表面活化处理是先在四氯化碳溶液中浸泡5分钟，然后在丙 酮溶液中浸泡5分钟，从丙酮溶液中取出后，在清水中浸泡S分钟，之后烘干；然后用30-80 'C的5 10wt。/。的NaOH溶液碱洗5 15min，流动清水冲洗后，用20-5(TC的20wt。/。的HN03 溶液酸洗l-5min，经流动清水冲洗后风千。
5、 按照权利要求1所述的金属间化合物的制备方法，其特征在于对轧制坯料进行温轧 复合和对温轧后的复合板进行冷轧减薄均选用四辊轧机进行轧制。
6、 按照权利要求1所述的金属间化合物的制备方法，其特征在于金属间化合物复合板 经过热处理后使复合板完成整体合金化，晶粒尺寸为2~20pm。
全文摘要
本发明涉及一种金属间化合物的制备方法，特征是以铁箔、镍箔或钛箔和铝箔为原料，按如下步骤进行选择原料箔材及厚度；对原料进行除油、除脂和表面活化处理；处理后的箔材进行交替层叠，制成轧制坯料，然后进行温轧，加热温度100～180℃，轧制压下率40～70％；对温轧后复合板进行切边，冷轧，压下率为10～20％；最后对冷轧复合板进行固相合金化热处理，热处理温度为400～680℃，热处理时间为1～5h。本发明的优点是制备出的金属间化合物具有均匀的微细组织，平均晶粒尺寸为2～20μm，金属间化合物的室温脆性和高温强韧性得到明显改善。本发明克服了金属间化合材料不易成型的难题，具有广泛的工业应用价值。
文档编号B21B1/38GK101219433SQ200810010168
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月18日 优先权日2008年1月18日
发明者于九明, 祖国胤 申请人:东北大学