一种利用磁场制备的Ni3Al基复合结构合金及其制备方法与流程

本发明涉及材料加工领域，特别涉及一种利用磁场制备的ni3al基复合结构合金及其制备方法。
背景技术：
：作为最有可能取代传统高温合金的下一代高温结构材料，ni3al基合金具有高熔点、高强度、抗高温氧化、抗耐腐蚀和抗蠕变能力强的综合性能。最新研究表明，提高al含量得到β/γ′型两相ni3al基合金，虽然可以提高合金的密度和熔点，但由于引入β相后室温脆性问题难以解决，这种本质的室温脆性，导致合金的抗断裂力和成型性差，对金属间化合物直接作为结构材料的使用受到很大的限制。使用陶瓷颗粒增强的复合材料是目前ni3al基合金发展的重要方向之一。ni3al作为金属间化合物，非常适合作为一种强化相形成金属基复合材料，由于金属间化合物本身可以在合金的凝固过程中原位形成，与外加陶瓷颗粒的复合材料相比，不仅可以克服金属间化合物本身的室温脆性缺陷，使基体与化合物颗粒具有更强的结合界面，而且也可以大大改善合金整体的力学性能。目前，世界各国都对ni3al基合金投入大量的人力、物力和财力进行相关的研究。但是尽管国内外对金属间化合物相的生长行为和生长机制展开了系列研究，但依旧没有较好的手段控制合金析出相的形貌。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种利用磁场制备的ni3al基复合结构合金及其制备方法。本发明在合金定向凝固过程中施加磁场，利用磁场的热电磁效应，控制和改善金属材料的组织和性能，使得合金的室温脆性得到改善，强度得到提升。本发明提供了一种利用磁场制备ni3al基复合结构合金的制备方法，包括以下步骤：在惰性气体保护下，将ni3al基合金熔融后，在磁场作用下进行定向凝固，制得ni3al基复合结构合金。优选地，所述磁场的强度为1～4t。优选地，所述ni3al基合金的组成元素包括ni、al、zr和b。优选地，所述ni3al基合金中，ni与其余元素之和的原子数目比为73:27。优选地，所述升温至熔融的升温速率为5～10℃/min。优选地，所述熔融的温度为1500～1550℃。优选地，所述熔融的保温时间为20～40min。优选地，所述定向凝固的抽拉速度为5～10μm/s。优选地，所述磁场为稳恒磁场。本发明还提供了上述所述制备方法制得的ni3al基复合结构合金，所述ni3al基复合结构合金为等轴nial颗粒和单晶ni3al基体组成的复合结构合金。本发明提供了一种利用磁场制备ni3al基复合结构合金的制备方法，包括以下步骤：在惰性气体保护下，将ni3al基合金熔融后，在磁场作用下进行定向凝固，制得ni3al基复合结构合金。本发明在ni3al基合金定向凝固过程中施加磁场，利用磁场的热电磁效应，从而影响合金中溶质的扩散和初生相的分布，再利用磁场将原本规则排列的柱状初生β-nial初生枝晶破碎，使其以枝晶碎片的形式存在，形态取向随机，没有明显的择优取向，而枝晶间的ni3al依然保持为一个单晶，从而形成了随机取向的等轴nial颗粒和单晶ni3al基体的复合结构，使得合金的室温脆性得到改善，强度得到提升。并且，本发明在凝固过程中加入的磁场以非接触的方式作用于熔融体，可以减少合金在熔融成形过程中的污染，同时操作方便，设备简单，节约成本，提高工作效率。实施例和对比例的结果表明，磁场为0t时，合金的拉伸强度为405mpa，延伸率为5.4％，施加1t磁场后，合金的拉伸强度和延伸率分别为413mpa、6.8％，施加4t磁场后，合金的拉伸强度和延伸率分别为433mpa、9.2％，较磁场为0t时，1t和4t抗拉强度分别提高了2.0％、6.9％，延伸率分别提高了25.9％、70.4％。附图说明图1为本发明的磁场装置实物图；图2为对比例、实施例1和实施例2定向凝固过程中纵截面和横截面的扫描电镜结构组织图，其中纵截面:(a1)0t；(b1)1t；(c1)4t，横截面:(a2)0t；(b2)1t；(c2)4t。具体实施方式本发明提供了一种利用磁场制备ni3al基复合结构合金的制备方法，包括以下步骤：在惰性气体保护下，将ni3al基合金熔融后，在磁场作用下进行定向凝固，制得ni3al基复合结构合金。本发明优选将ni3al基合金进行切割，打磨，放置于与切割合金形状相对应的容器中，然后固定在定向凝固装置的拉杆上，熔融，得到ni3al基合金熔融液。在本发明中，所述ni3al基合金的组成优选包括ni、al、zr和b，所述ni3al基合金中，ni与其余元素之和的原子数目比优选为73:27。在本发明的实施例中，所述ni3al基合金优选为73ni-26.5al-0.4zr-0.1b基合金，所述切割优选为电火花线切割。本发明对所述切割的形状没有特殊的限制，使切割后的合金形状与容器相对应即可。在本发明的实施例中，所述切割的形状优选为直径10mm，长120mm的圆棒，然后放置在相应尺寸的刚玉管中。本发明对所述打磨没有特殊的限制，采用本领域常规的技术手段将合金表面的氧化层打磨除去即可。本发明对所述在磁场作用下进行定向凝固的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的磁场作用凝固装置即可。在本发明中，所述定向凝固装置优选为本发明图1所示装置的实物图，主要由超导磁体(纵向磁场)、加热炉、液态金属冷却池以及伺服抽拉系统组成，内部还包括加热炉和冷却池。在本发明中，所述图1所示装置的磁场以非接触的方式作用于熔融体，可以减少合金在熔融成形过程中的污染，同时操作方便，设备简单，节约成本，提高工作效率。在本发明中，所述熔融的装置优选为布里奇曼炉；所述升温至熔融温度的升温速率优选为5～10℃/min，所述熔融的温度优选为1500～1550℃，所述熔融的保温时间优选为20～40min，更优选为30min，所述熔融的保温时间指的是达到熔融温度后的保持时间。得到ni3al基合金熔融液后，本发明将所得ni3al基合金熔融体在磁场作用下进行定向凝固，制得ni3al基复合结构合金。在本发明中，所述磁场优选为稳恒磁场，所述磁场的强度优选为1～4t，更优选为1t，所述定向凝固的拉抽速率优选为10μm/s。本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的ni3al基复合结构合金，所述ni3al基复合结构合金为等轴nial颗粒和单晶ni3al基体组成的复合结构合金。为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的ni3al基复合结构合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例1在惰性气体保护下，采用电火花线切割将ni3al基合金73ni-26.5al-0.4zr-0.1b切割成直径10mm，长120mm的圆棒；将圆棒打磨去除氧化层皮，放入相应尺寸的刚玉管中，固定到定向凝固装置的拉杆上(如图1)，放到布里奇曼炉中，将炉内温度以10℃/min的速率升至1550℃，保温30min，得到ni3al基合金熔融液；将ni3al基合金熔融液在1t稳恒磁场和10μm/s抽拉速率作用下，进行定向凝固，制得ni3al基复合结构合金。实施例2在惰性气体保护下，采用电火花线切割将ni3al基合金73ni-26.5al-0.4zr-0.1b切割成直径10mm，长120mm的圆棒；将圆棒打磨去除氧化层皮，放入相应尺寸的刚玉管中，固定到定向凝固装置的拉杆上(如图1)，放到布里奇曼炉中，将炉内温度以10℃/min的速率升至1550℃，保温30min，得到ni3al基合金熔融液；将ni3al基合金熔融液在4t稳恒磁场和10μm/s抽拉速率作用下，进行定向凝固，制得ni3al基复合结构合金。对比例在惰性气体保护下，采用电火花线切割将ni3al基合金73ni-26.5al-0.4zr-0.1b切割成直径10mm，长120mm的圆棒；将圆棒打磨去除氧化层皮，放入相应尺寸的刚玉管中，固定到定向凝固装置的拉杆上，放到布里奇曼炉中，将炉内温度以10℃/min的速率升至1550℃，保温30min，得到ni3al基合金熔融液；将ni3al基合金熔融液在10μm/s抽拉速率下进行定向凝固，制得ni3al基复合结构合金。所述磁场的装置实物图如图1所示。实施例1、实施例2和对比例的扫描电镜结果，如图2所示。从图2可以中看出：在磁场为0t时，nial枝晶和ni3al分别保持单一的取向，形成一种类似单晶的组织，施加1t或4t磁场后，初生nial相的形态发生的改变，由柱状枝晶变成了不规则的枝晶碎片，形态取向则随机，没有明显的择优取向，而枝晶间的ni3al依然保持为一个单晶，从而形成了随机取向的等轴nial颗粒和单晶ni3al基体的复合结构合金。采用万能试验机分别对对比例、实施例1和实施例2进行室温拉伸强度和延伸率性能的测试，如表1。表1对比例、实施例1和实施例2室温拉伸强度和延伸率的测试结果磁场强度(t)拉伸强度(mpa)延伸率(％)对比例04055.4实施例114136.8实施例244339.2从表1中可以得出：磁场为0t时，对比例合金的拉伸强度为405mpa，延伸率5.4％，施加1t磁场后，实施例1合金的拉伸强度和延伸率分别为413mpa、6.8％，施加4t磁场后，实施例2合金的拉伸强度和延伸率分别为433mpa、9.2％，较磁场为0t时，1t和4t抗拉强度分别提高了2.0％、6.9％，延伸率分别提高了25.9％、70.4％。本发明在ni3al基合金定向凝固过程中施加磁场，利用磁场的热电磁效应和对晶体的取向作用，从而影响合金中溶质的扩散和初生相的分布，再利用磁场将原本规则排列的柱状初生β-nial初生枝晶破碎，使其以枝晶碎片的形式存在，而枝晶间的ni3al依然保持为一个单晶，从而形成了随机取向的等轴nial颗粒和单晶ni3al基体的复合结构，使得合金的室温脆性得到改善，强度得到提升。并且，本发明在凝固过程中加入的磁场以非接触的方式作用于熔融体，可以减少合金在熔融成形过程中的污染，同时操作方便，设备简单，节约成本，提高工作效率。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12