一种制备组织热稳定性优良的镍铝铬钼共晶合金的方法与流程

本发明属于镍铝基共晶合金及其制备
技术领域：
，涉及一种制备组织热稳定性优良的镍铝铬钼共晶合金的方法。
背景技术：
：金属间化合物因其优异的性能被认为是下一代高温结构材料，如TiAl、NiAl、Ni3Al和FeAl等，其中NiAl及以其为基体的共晶合金具有熔点高、密度低、导热性好和优异的抗氧化性能等优点，如NiAl-Cr(Mo)共晶合金的熔点达1450℃，较一般镍基高温合金的初熔温度高190℃；密度为6.27g/cm3，仅为一般镍基高温合金的70％；导热率大，在100～1200℃温度范围为29～47W/m·k，是一般镍基高温合金的2-4倍，且在1000～1200℃温度范围均属于抗氧化级。因此，NiAl及以其为基体的共晶合金有望成为替代镍基高温合金应用于航空发动机热端部件的新一代理想的高温结构材料。美国GE公司研制的NiAl单晶合金(AFN-20)性能优异，用于制作航空发动机涡轮叶片，并已顺利通过地面试车。近年来科研人员对NiAl合金做了大量的研究以进一步提高合金性能，如美国田纳西大学、NASA和洛斯阿拉莫斯国家实验室等大学和机构以合金化的方式向NiAl合金中引入强化第二相，形成了NiAl-Cr和NiAl-Mo棒状共晶合金以及NiAl-Cr(Mo)、NiAl-V、NiAl-Nb和NiAl-Ta层片共晶合金。通过对比发现NiAl-Cr(Mo)共晶合金具有较好的综合性能，有可能应用于航空发动机热端部件，但是中科院金属研究所盛立远、郭建亭等人研究发现，快速凝固制备的NiAl-Cr(Mo)共晶合金的层片组织细小，在高温环境下易发生粗化，而且西北工业大学王雷等人也发现，NiAl-Cr(Mo)共晶合金高温热处理后，出现层片粗化以及局部溶解等不稳定现象，由此可见该合金的高温组织稳定性较差。高温环境下层片共晶合金组织稳定性差的主要原因是，层片间距较小，易于原子的扩散，且单位体积内总界面面积大，界面自由能大，即粗化驱动力大，组织容易发生粗化甚至球化，因而组织的热稳定性较差。技术实现要素：本发明的目的是提供一种制备具有优良热稳定性组织的NiAl-Cr(Mo)共晶合金的方法，解决了现有技术制备的NiAl-Cr(Mo)共晶合金组织热稳定性差所导致的性能不稳定、高温强度显著降低、合金使用寿命缩减等问题，通过该方法制备的合金的组织热稳定性显著提高，从而提升了该合金的综合性能，进而有可能应用于航空发动机热端部件。本发明所采用的技术方案是，一种制备组织热稳定性优良的镍铝铬钼共晶合金的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，原料配比；步骤2，对金属原料进行前处理；步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿；步骤4，熔炼；步骤5，进行定向凝固处理。本发明的特点还在于，所述的步骤1具体为：选用纯度为99.9～99.96wt％的Ni块、99.9～99.99wt％的高纯Al棒、99.7～99.9wt％的Cr片、99.9～99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-(34-x)Cr-xMo(2≤x≤8)的原子百分比的成分进行配比。步骤2具体为：对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3具体为：对Al质量需补偿2.9～3.1wt％，Cr质量需补偿0.45～0.55wt％。步骤4具体为：将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到6×10-3Pa以上并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。步骤4中进行熔炼步骤时的熔炼参数为：熔炼温度为1650～1750℃，熔炼时间为10～15min。步骤5具体为：将母合金进行切割后放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空并往炉膛内充入高纯氩气，升温至1600～1700℃，保温20～30min后，在该温度下进行抽拉，制备出具有优良热稳定性组织的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。抽真空的具体要求为，抽真空至6.6×10-3Pa以上。抽拉速率为0μm/s<V抽≤3.5μm/s。本发明的有益效果是，采用液态金属冷却定向凝固法制备NiAl-Cr(Mo)两相层片共晶合金，并在定向凝固过程中通过控制抽拉速率来调节层片间距，使得层片间距λ≥2.95μm，远远大于普通铸造组织的层片间距(胞心层片间距为0.53μm)，进而使得该合金组织具有优良的热稳定性。附图说明图1是定向凝固抽拉速率为2.5μm/s时制备出的组织热稳定性优良的合金在热处理前后的对比图，图1(a)为铸态组织，图1(b)为热处理组织；图2是定向凝固抽拉速率为4.5μm/s时制备出的组织热稳定性差的合金在热处理前后的对比图，图2(a)为铸态组织，图2(b)为热处理组织；图3是定向凝固抽拉速率为160μm/s时制备出的组织热稳定性差的合金在热处理前后的对比图，图3(a)为铸态组织，图3(b)为热处理组织；图4是普通铸造制备出的组织热稳定性差的合金在热处理前后的对比图，图4(a)为铸态组织，图4(b)为热处理组织。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。一种制备组织热稳定性优良的镍铝铬钼共晶合金的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，原料配比：选用纯度为99.9～99.96wt％的Ni块、99.9～99.99wt％的高纯Al棒、99.7～99.9wt％的Cr片、99.9～99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-(34-x)Cr-xMo(2≤x≤8)的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿2.9～3.1wt％，Cr质量需补偿0.45～0.55wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到6×10-3Pa以上并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1650～1750℃，熔炼时间为10～15min。步骤5，通过电火花线切割将母合金试样切出直径稍小于坩埚直径的棒状铸件，然后将铸件放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空至6.6×10-3Pa以上，往炉膛内充入高纯氩气，升温至1600～1700℃，保温20～30min后，在该温度下，按照0μm/s<V抽≤3.5μm/s的速率进行抽拉，制备出具有优良热稳定性组织的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。为了测试该方法制备的合金的组织热稳定性，对所制得的合金进行1150℃/400h的热处理。若组织仍旧排列良好，同热处理前组织对比无明显变化，则表明该合金组织的热稳定性好；若组织中出现常见的粗化、球化等组织失稳现象，则表明该合金的组织热稳定性差。本发明的方法是，采用液态金属冷却定向凝固法制备NiAl-Cr(Mo)共晶合金，合金组织为黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相组成的全共晶层片组织。在定向凝固过程中通过控制抽拉速率来调节层片间距，使得层片间距λ≥2.95μm，远远大于普通铸造组织的层片间距(胞心间距为0.53μm)，进而使得该合金组织具有优良的热稳定性。进一步地，上述抽拉速率范围为0μm/s<V抽≤3.5μm/s，因为在定向凝固过程中，层片间距λ与抽拉速率V的平方根成反比(λ∝V-1/2)，即抽拉速率越小，层片间距越大。而层片间距越大，越不利于原子扩散，粗化驱动力越小，进而使得该共晶合金的组织热稳定性越好。进一步地，上述目标合金热稳定性好具体体现在：对该合金进行1150℃高温热处理，长时间后该合金的组织与铸态组织相比无明显变化，说明这种组织的热稳定性优良，能够保证该合金在高温下长期作业时性能的稳定以及使用寿命的提高。实施例1一种组织热稳定性优良的镍铝铬钼共晶合金通过以下方法制备：步骤1，原料配比：选用纯度为99.96wt％的Ni块、99.99wt％的高纯Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿2.9wt％，Cr质量需补偿0.45wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到5.9×10-3Pa并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1750℃，熔炼时间为15min。步骤5，通过电火花线切割将母合金试样切出直径为6.9mm的棒状铸件，然后将铸件放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空至6.5×10-3Pa，往炉膛内充入高纯氩气，升温至1650℃，保温25min后，在该温度下，按照2.5μm/s的速率进行抽拉，制备出具有优良热稳定性组织的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。对所得合金进行1150℃/400h的热处理，测试该合金的组织热稳定性。测试结果如说明书附图1所示，从图中可以看出，该方法制备的合金组织，为黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相组成的共晶层片组织，且具有较大的层片间距(3.69μm)，如图1a所示；热处理后组织未发生明显变化(图1b)，即该方法制备的合金的组织热稳定性优良。实施例2一种组织热稳定性优良的镍铝铬钼共晶合金通过以下方法制备：步骤1，原料配比：选用纯度为99.96wt％的Ni块、99.99wt％的高纯Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-32Cr-2Mo的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿3.0wt％，Cr质量需补偿0.5wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1700℃，熔炼时间为13min。步骤5，通过电火花线切割将母合金试样切出直径为6.8mm的棒状铸件，然后将铸件放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空至6.4×10-3Pa，往炉膛内充入高纯氩气，升温至1600℃，保温30min后，在该温度下，按照3.0μm/s的速率进行抽拉，制备出具有优良热稳定性组织的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。对所得合金进行1150℃/400h的热处理，测试该合金的组织热稳定性。测试结果与说明书附图1类似，该方法制备的合金组织具有较大的层片间距(3.24μm)，热处理后层片组织未发生明显变化，即该方法制备的合金的组织热稳定性优良。实施例3一种组织热稳定性优良的镍铝铬钼共晶合金通过以下方法制备：步骤1，原料配比：选用纯度为99.96wt％的Ni块、99.99wt％的高纯Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-26Cr-8Mo的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿3.1wt％，Cr质量需补偿0.55wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到5.7×10-3Pa并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1680℃，熔炼时间为14min。步骤5，通过电火花线切割将母合金试样切出直径为6.9mm的棒状铸件，然后将铸件放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空至6.4×10-3Pa，往炉膛内充入高纯氩气，升温至1680℃，保温25min后，在该温度下，按照3.5μm/s的速率进行抽拉，制备出具有优良热稳定性组织的NiAl-Cr(Mo)共晶合金。对所得合金进行1150℃/400h的热处理，测试该合金的组织热稳定性。测试结果与说明书附图1类似，该方法制备的合金组织具有较大的层片间距(2.95μm)，热处理后组织未发生明显变化，即该方法制备的合金的组织热稳定性优良。对比例1一种普通的镍铝铬钼共晶合金通过以下方法制备：步骤1，原料配比：选用纯度为99.96wt％的Ni块、99.99wt％的高纯Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿3.0wt％，Cr质量需补偿0.53wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1740℃，熔炼时间为15min。步骤5，通过电火花线切割将母合金试样切出直径为6.9mm的棒状铸件，然后将铸件放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空至6.2×10-3Pa，往炉膛内充入高纯氩气，升温至1620℃，保温28min后，在该温度下，按照4.5μm/s的速率进行抽拉，制备出NiAl-Cr(Mo)共晶合金。对所得合金进行1150℃/400h的热处理，测试该合金的组织热稳定性。测试结果如说明书附图2所示，可以看出，该方法制备的合金组织，为黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相组成的共晶层片组织，且具有较小的层片间距(2.57μm)，热处理后灰白色的Cr(Mo)相发生夹断以及团聚长大等失稳现象(图2b)，即该方法制备的合金的组织热稳定性差。对比例2一种普通的镍铝铬钼共晶合金通过以下方法制备：步骤1，原料配比：选用纯度为99.96wt％的Ni块、99.99wt％的高纯Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿2.9wt％，Cr质量需补偿0.50wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1660℃，熔炼时间为15min。步骤5，通过电火花线切割将母合金试样切出直径为6.7mm的棒状铸件，然后将铸件放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空至6.4×10-3Pa，往炉膛内充入高纯氩气，升温至1660℃，保温30min后，在该温度下，按照160μm/s的速率进行抽拉，制备出NiAl-Cr(Mo)共晶合金。对所得合金进行1150℃/400h的热处理，测试该合金的组织热稳定性。测试结果如说明书附图3所示，可以看出，该方法制备的合金组织，为黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相组成的共晶层片组织，且具有较小的层片间距(0.57μm)，如图3a所示；热处理后部分灰白色的Cr(Mo)相发生夹断、团聚长大、粗化以及球化等失稳现象(图3b)，即该方法制备的合金的组织热稳定性差。对比例3一种普通的镍铝铬钼共晶合金通过以下方法制备：步骤1，原料配比：选用纯度为99.96wt％的Ni块、99.99wt％的高纯Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-29Cr-5Mo的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿2.9wt％，Cr质量需补偿0.45wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到5.9×10-3Pa并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1650℃，熔炼时间为15min。步骤5，通过电火花线切割将母合金试样切出直径为6.8mm的棒状铸件，然后将铸件放入刚玉坩埚内，然后将刚玉坩埚固定在定向凝固炉的结晶器上；将定向凝固炉膛抽真空至6.4×10-3Pa，往炉膛内充入高纯氩气，升温至1630℃，保温30min后，在该温度下，按照160μm/s的速率进行抽拉，制备出NiAl-Cr(Mo)共晶合金。对所得合金进行1150℃/400h的热处理，测试该合金的组织热稳定性。测试结果与说明书附图3类似，该方法制备的合金组织，为黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相组成的共晶层片组织，且具有较小的层片间距(0.57μm)，热处理后部分灰白色的Cr(Mo)相发生夹断、团聚长大、粗化以及球化等失稳现象，即该方法制备的合金的组织热稳定性差。对比例4一种普通的镍铝铬钼共晶合金通过以下方法制备：步骤1，原料配比：选用纯度为99.96wt％的Ni块、99.99wt％的高纯Al棒、99.9wt％的Cr片、99.95wt％的Mo丝，按照33Ni-33Al-28Cr-6Mo的原子百分比的成分进行配比。步骤2，对金属原料进行前处理，对Mo丝和Ni块进行打磨，并对Al棒进行酸洗，去掉原材料表面的氧化皮。步骤3，在熔炼前对Al和Cr进行质量补偿，具体来说，对Al质量需补偿3.0wt％，Cr质量需补偿0.50wt％。步骤4，将待熔炼的金属原料放入熔炼设备中，并将炉腔的真空度抽到5.8×10-3Pa并充入高纯氩气；然后进行熔炼后浇铸成普通铸造母合金；所述的熔炼设备为高真空非自耗感应熔炼炉。所述的熔炼参数为：熔炼温度为1720℃，熔炼时间为13min。对所得合金进行1150℃/48h的热处理，测试该合金的组织热稳定性。结果如说明书附图4所示，可以看出，该方法制备的合金组织，为黑色的NiAl相和灰白色的Cr(Mo)相组成的共晶层片组织，且具有较小的层片间距(胞心层片间距为0.53μm)，如图4a所示；热处理仅48h后灰白色的Cr(Mo)相发生明显夹断(图4b)，即该方法制备的合金的组织热稳定性差。上述实施例和对比例的参数以及相应的热稳定性测试结果如表1所示，表1NiAl-Cr(Mo)共晶合金热稳定性改进结果项目合金名称制备工艺抽拉速率热处理工艺稳定性情况实施例1NiAl-28Cr-6Mo定向凝固2.5μm/s1150℃/400h稳定性好实施例2NiAl-32Cr-2Mo定向凝固3.0μm/s1150℃/400h稳定性好实施例3NiAl-26Cr-8Mo定向凝固3.5μm/s1150℃/400h稳定性好对比例1NiAl-28Cr-6Mo定向凝固4.5μm/s1150℃/400h稳定性差对比例2NiAl-28Cr-6Mo定向凝固160μm/s1150℃/400h稳定性差对比例3NiAl-29Cr-5Mo定向凝固160μm/s1150℃/400h稳定性差对比例4NiAl-28Cr-6Mo普通铸造无1150℃/48h稳定性差当前第1页1 2 3