一种定向FeAl基合金及其制备方法

一种定向feal基合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于定向凝固技术领域，具体涉及一种定向feal基合金的制备方法。


背景技术：

2.feal合金是目前最有应用前景的含铝金属间化合物之一。与其它几种含铝合金一样，feal合金具有比强度高、热稳定性高、耐腐蚀、抗氧化、高温机械性能好等优异的特性。除此之外，由于它以fe和al这两个基本的工业元素为主要原料,与其它高温合金相比,成本上更具有优势，在高温耐腐蚀、抗氧化以及高温结构材料等方面都有很大的应用潜力。在近二十多年来，feal合金的研究已经取得了很大进展。feal合金在许多方面已经获得了成功应用，如代替fecral加热元件用作纺织印染机的加热棒；代替不锈钢用作热电偶保护套管；流化床锅炉底饲料喷咀；催化裂化装置双动划阀导轨；热交换管和壁等。由于feal合金导磁率高、耐磨性好，还可用作磁头材料。
3.虽然feal合金具有上述诸多优点，但它有脆性大、塑性和韧性差、抗拉强度低等缺点，导致材料难以加工成形，不宜用于重要的结构件和高精度的复杂零件。其具体原因在于：feal合金复杂的晶体结构和特殊的原子键模式决定了它们具有高的弹性模量和硬度,而高硬度材料的性能对其结构相当敏感，微小的结构缺陷就会导致材料的脆性断裂。并且材料中的缺陷通常在晶界上形成，而环境氢脆也是通过晶界而作用的，在晶界上会发生氢脆的汽化反应。所以，feal合金的脆性多半源自晶界，解决了晶界脆性问题就解决了金属间化合物的脆性问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种定向feal基合金的制备方法。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种定向feal基合金的制备方法，其表达式为fe
a
al
b
，其中，37≤a≤45 ，55≤b≤63 ，a+b=100，包括以下步骤：（1）根据目标feal合金成分称配原料；（2）熔炼、浇铸得到feal合金棒；（3）氩气保护下，采用bridgman晶体生长装置对圆柱棒合金进行定向凝固，加热温度为1200~1900℃，保温时间为1~60min，抽拉速率为0.1~1000μm/s，得到feal柱晶。
6.较佳的，步骤（2）中，采用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉或真空非自耗电弧熔炼炉反复熔炼至少4次原料，然后采用真空非自耗电弧熔炼炉浇铸得到直径为8~10mm的feal合金圆棒。
7.较佳的，步骤（3）中，加热温度为1300~1600℃，保温时间为20~60min，抽拉速率为5~500μm/s。
8.较佳的，步骤（3）中，定向凝固得到直径8~10mm，长度为6~13cm的feal柱晶。
9.本发明与现有技术相比，具有显著优点：（1）本发明制备的feal合金具有柱状晶组织，消除了横向晶界，提高了合金的综合力学性能，有效解决了合金塑韧性差、强度低等问题。
10.（2）本发明是利用bridgman定向凝固装置独特的特点，一步制备出具有柱状晶组织的feal合金，制备方法简单，工艺成本较低。
附图说明
11.图1是feal合金二元体系相图。
12.图2是实施例1的定向凝固feal合金片层的扫描显微组织图（a为扫描图，b为a中点扫描成分表）。
13.图3是实施例1的定向凝固feal合金显微图和光学显微组织图（a为铸态区，b为竞争区，c为稳定区，d为c中放大区域的组织图）。
14.图4是实施例1与铸态feal合金准静态压缩曲线图。
15.图5是实施例2的定向凝固feal合金显微图。
16.图6是实施例3的定向凝固feal合金显微图。
17.图7是实施例3的定向凝固feal合金显微图。
18.图8是对比例1的定向凝固feal合金显微图。
19.图9是对比例2的定向凝固feal合金显微图。
20.图10是对比例3的定向凝固feal合金显微图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
22.实施例1（1）根据图1所示的feal合金二元体系相图 ，配比成分为fe
40
al
60
的合金。
23.（2）采用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉反复熔炼至少4次上述原料，然后采用真空非自耗电弧熔炼炉浇铸得到直径为8mm的feal合金圆棒；（3）在氩气保护下，采用bridgman定向凝固装置对圆柱棒母合金进行定向凝固，加热温度为1380℃，保温时间为20min，抽拉速率为100μm/s，最终得到直径8mm，长度为6cm的feal柱晶。
24.对显微形貌选区进行点扫描，发现黑色组织为feal相，白色组织为feal2相。结合图1和图2可知，在1102℃左右，会发生ε
→
feal+feal2相变，ε相生成feal+feal2片层组织。具体组织如图3所示，这样就可得到具有柱状晶组织的feal合金。从图4中可得，具有柱状晶组织的feal合金其压缩性能比铸态的feal合金高3倍左右，其延伸率高1倍左右。
25.实施例2采用成分为fe
45
al
55
的合金，其它步骤同实施例1，不同的是：定向凝固时，加热温度为1600℃，保温时间为60min，抽拉速率为300μm/s，依然可得到如实施例1所述的具有柱状晶组织feal合金，其显微图如图5所示。其压缩性能比铸态的feal合金高2倍左右，其延伸率高1倍左右。
26.实施例3采用成分为fe
37
al
63
的合金，其它步骤同实施例1，不同的是：定向凝固时，加热温度为1500℃，保温时间为40min，抽拉速率为500μm/s，依然可得到如实施例1所述的具有柱状晶组织feal合金，其显微图如图6所示。其压缩性能比铸态的feal合金高2倍左右，其延伸
率高1倍左右。
27.实施例4采用成分为fe
40
al
60
的合金，其它步骤同实施例1，不同的是：定向凝固时保温时间为30min，抽拉速率为5μm/s，依然可得到如实施例1所述的具有柱状晶组织feal合金，其显微图如图7所示。其压缩性能比铸态的feal合金高3倍左右，其延伸率高1倍左右。
28.对比例1采用成分为fe
35
al
65
的合金，其它步骤同实施例1，得到稳定段无柱状晶组织的feal合金，其显微图如图8所示。
29.对比例2采用成分为fe
47
al
53
的合金，其它步骤同实施例1，得到稳定段无柱状晶组织的feal合金，其显微图如图9所示。
30.对比例3采用成分为fe
40
al
60
的合金，在生长速率为1100μm/s情况下进行定向凝固，其他条件同实施例1，得到稳定段无柱状晶组织的feal合金，其显微图如图10所示。


技术特征：
1.一种定向feal基合金的制备方法，其特征在于，其表达式为fe
a
al
b
，其中，37≤a≤45 ，55≤b≤63 ，a+b=100，包括以下步骤：（1）根据目标feal合金成分称配原料；（2）熔炼、浇铸得到feal合金棒；（3）氩气保护下，采用bridgman晶体生长装置对圆柱棒合金进行定向凝固，加热温度为1200~1900℃，保温时间为1~60min，抽拉速率为0.1~1000μm/s，得到feal柱状晶。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，采用水冷铜坩埚悬浮熔炼炉或真空非自耗电弧熔炼炉反复熔炼至少4次原料，然后采用真空非自耗电弧熔炼炉浇铸得到直径为8~10mm的feal合金圆棒。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，加热温度为1300~1600℃，保温时间为20~60min，抽拉速率为5~500μm/s。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，定向凝固得到直径8~10mm，长度为6~13cm的feal柱状晶。5.如权利要求1
‑
4所述的方法制备的定向feal基合金。

技术总结
本发明公开了一种定向FeAl基合金的制备方法，所述的FeAl合金成分按原子百分比记为Fe


技术研发人员：陈光 彭海鑫 郑功 侯锐 周冰 黄腾达
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2021.06.11
技术公布日：2021/10/23