一种Hf改性的NiAl－Cr(Mo)双相共晶金属间化合物

摘要

本发明公开了一种Hf改性的NiAl－Cr(Mo)双相共晶金属间化合物，其成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，0.1～11at％的Hf和余量的Al。通过在NiAl－Cr(Mo)双相共晶合金的共晶点附近的成分范围内降低Al元素含量、添加Hf元素对NiAl－Cr(Mo)双相共晶合金进行改性，Hf元素与NiAl形成Heusler(L21－Ni2AlHf)相，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Heusler相来进一步提高共晶金属间化合物的高温强度。本发明的Hf改性的NiAl－Cr(Mo)双相共晶金属间化合物在1150℃时的屈服强度为300～420MPa、密度为6.02～7.66g/cm3。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物。

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基、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。但是NiAl的常温塑性小于1％，断裂韧性为高温1000℃屈服强度为小于100MPa，严重限制了其实用化的运用。

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。通过添加过渡族元素，如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；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)双相共晶金属间化合物的断裂韧性为17～22MPa·m^1/2，其抗冲击性能也好于AFN-12。但是，NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物的高温强度改善不大，仍然无法满足新一代燃气涡轮发动机在1150℃环境下的使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物，通过在NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金的基础上，在其共晶点附近的成分范围内适当降低Al元素含量、添加Hf元素对NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金的改性。Hf元素与NiAl有强烈地形成Heusler(L21-Ni₂AlHf)相的趋势，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1150℃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Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物，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％的铪(Hf)组成，成分范围为33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，0.1～11at％的Hf和余量的Al。

在本发明中，Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物可以是33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf或者33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf或者33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf或者33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf。

在本发明中，Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物的密度为6.02～7.66g/cm³；25℃屈服强度为1500～2300MPa、压缩塑性大于17％；在1150℃时的屈服强度为300～420MPa。

本发明Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物的优点在于：

(1)通过降低Al元素含量、添加Hf元素对NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金进行改性，Hf元素与NiAl有强烈的Heusler(L21-Ni₂AlHf)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；

(2)Hf改性后的NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金密度为6.02～7.66g/cm³；

(3)Hf改性后的NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金的室温屈服强度为1500～2300MPa，比未改性的NiAl-Cr(Mo)合金提高50％～100％，比等原子比NiAl金属间化合物提高150％～240％。压缩塑性大于17％，比等原子比NiAl金属间化合物提高了70％。

(4)33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf合金在800℃下的压缩屈服强度为1600MPa，比未改性的NiAl-Cr(Mo)伪二元共晶合金高出220％。

(5)Hf改性后的NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金在1150℃时的屈服强度为300～420MPa

附图说明

图1是33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf金属间化合物在25℃、800℃、850℃、1150℃的压缩实验结果。

图2是33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf金属间化合物在25℃、800℃、850℃、1150℃的压缩实验结果。

图3是33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf金属间化合物在25℃、800℃、850℃、1150℃的压缩实验结果。

图4是33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf金属间化合物在25℃、800℃、850℃、1150℃的压缩实验结果。

图5是未经改性的33Ni-33Al-30Cr-4Mo双相共晶合金在25℃、600℃、800℃、1150℃下的压缩实验结果。图中，25℃屈服强度为1100MPa，压缩塑性大于12％；600℃屈服强度为700MPa，压缩塑性大于43％；800℃屈服强度为500MPa，压缩塑性大于55％；其1150℃屈服强度为100MPa。

具体实施方式

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Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物，是针对NiAl金属间化合物的室温脆性和高温强度问题，在NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金的基础上开发出一种Hf元素改性的新型高温高比强的金属间化合物，该金属间化合物替代了传统高温合金，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Hf改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶金属间化合物，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％的铪(Hf)组成，成分范围为：33at％的Ni，30at％的Cr，4at％的Mo，0.1～11at％的Hf和余量的Al。

在本发明中，Hf原子百分比的较佳取值范围为3～8。

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1×10^-3～5×10^-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铪(Hf)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6.02～7.66g/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)进行室温和高温力学性能的测试：

其室温(25℃)屈服强度为1500～2300MPa，比未改性的NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金提高50％～100％，比等原子比NiAl金属间化合物提高150％～240％。压缩塑性大于17％，比等原子比NiAl金属间化合物提高70％。

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300～420MPa。

(三)采用材料力学实验机(MTS)进行室温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5～10MPa·m^1/2。

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Hf元素对NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金进行了改性，通过Hf元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni₂AlHf)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33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf金属间化合物

按照成分为33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf(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33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf合金铸锭，真空度3×10^-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33Ni-28Al-30Cr-4Mo-5Hf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-5Hf金属间化合物密度ρ(公式中π为圆周率)，其密度为6.76g/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(25℃)屈服强度为2200MPa，压缩塑性大于21％；其800℃屈服强度为1400MPa，压缩塑性大于40％；其850℃屈服强度为1250MPa，压缩塑性大于50％；其1150℃屈服强度为420MPa。

实施例2：制33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf金属间化合物

按照成分为33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf(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33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf合金铸锭，真空度5×10^-3Pa，熔炼温度2700℃，翻炼5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。

33Ni-30Al-30Cr-4Mo-3Hf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6.11g/cm³；参见图2所示，图中，室温(25℃)屈服强度为2000MPa，压缩塑性大于17％；800℃屈服强度为1300MPa，压缩塑性大于30％；850℃屈服强度为1200MPa，压缩塑性大于35％；1150℃屈服强度为354MPa。

实施例3：制33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf金属间化合物

按照成分为33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf(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33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf合金铸锭，真空度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。

33Ni-32Al-30Cr-4Mo-1Hf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6.03g/cm³；参见图3所示，图中，室温(25℃)屈服强度为1900MPa，压缩塑性大于21％；800℃屈服强度为1150MPa，压缩塑性大于35％；850℃屈服强度为960MPa，压缩塑性大于50％；1150℃屈服强度为323MPa。

实施例4：制33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf金属间化合物

按照成分为33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf(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33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf合金铸锭，真空度5×10^-3Pa，熔炼温度3000℃，翻炼5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。

33Ni-25Al-30Cr-4Mo-8Hf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6.21g/cm³；参见图4所示，图中，室温(25℃)屈服强度为2200MPa，压缩塑性大于21％；800℃屈服强度为1250MPa，压缩塑性大于28％；850℃屈服强度为1050MPa，压缩塑性大于50％；1150℃屈服强度为345MPa。

下表为不同组份的金属间化合物在真空度3×10^-3Pa、熔炼温度3000℃、翻炼6次条件下的力学性能：

  金属间化合物  密度  (g/cm³)  1150℃时的屈  服强度(MPa)  25℃时的屈服  强度(MPa)  33Ni-32.5Al-30Cr-4Mo-0.5Hf  6.03  314  1500  33Ni-29Al-30Cr-4Mo-4Hf  6.56  372  2100  33Ni-26Al-30Cr-4Mo-7Hf  7.08  386  2250  33Ni-22Al-30Cr-4Mo-11Hf  7.66  367  2150

本发明人通过在33Ni-22～32.9Al-30Cr-4Mo-0.1～11Hf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Hf元素对NiAl-Cr(Mo)双相共晶合金进行了改性，通过Hf元素与NiAl强烈的Heusler(L21-Ni₂AlHf)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。