本發(fā)明涉及高溫合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前廣泛使用于煤、天然氣和石油轉(zhuǎn)化利用系統(tǒng)和先進(jìn)熱力發(fā)動機(jī)中的結(jié)構(gòu)材料，如奧氏體不銹鋼和高溫合金，通常無法同時滿足服役條件所需求的強度、韌性和耐蝕性。

涂層材料如fecral雖然擁有優(yōu)良的耐蝕性，但其高溫強度較差。因此迫切需要發(fā)展新型合金以滿足高溫結(jié)構(gòu)部件的苛刻服役條件，即具有良好高溫機(jī)械性能和優(yōu)良耐蝕性的合金，而ni3al基合金恰好符合上述要求。

金屬間化合物ni3al具有其獨特的高溫性能，十分適合應(yīng)用于高溫領(lǐng)域：

首先，ni3al的硬度隨溫度升高而提高，ni3al合金疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于鎳基高溫合金，且其蠕變性能與后者相當(dāng)或更高。

其次，ni3al高溫下易形成致密的氧化鋁，具有優(yōu)良的抗腐蝕性，尤其經(jīng)過預(yù)氧化處理后，與許多介質(zhì)的化學(xué)互溶性均較好。

此外，ni3al合金具有優(yōu)良的抗?jié)B碳性能。

更重要的是，l12結(jié)構(gòu)的ni3al長程有序的特點能夠提高原子的高溫擴(kuò)散能壘，降低原子遷移能力，使其具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及由擴(kuò)散過程控制的高溫形變抗力。

綜上所述，ni3al基合金的高溫特性具有十分明顯的優(yōu)點，與高溫陶瓷材料相似，例如優(yōu)良的高溫強度、抗氧化、抗?jié)B碳和良好的疲勞性能。由于鑄造ni3al基合金直接在鑄態(tài)下使用，其組織結(jié)構(gòu)不需要通過熱處理改變，只能通過控制凝固過程來調(diào)控。所以，鑄造ni3al基合金的成分選擇尤其重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金，該合金無需熱處理即具有優(yōu)良常溫和高溫強度、良好韌性和強耐蝕性。

具體技術(shù)方案如下：

一種含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金，以質(zhì)量百分比的原料計，包括：



余量為ni和雜質(zhì)。

本發(fā)明在傳統(tǒng)ni3al基合金的基礎(chǔ)上降低其主要強化元素mo的含量，設(shè)計了一種通過添加w元素以同時增強ni3al相和固溶體相的合金體系。mo元素在合金中傾向于偏聚于固溶體相，對固溶體相的強化作用較強，而對ni3al相強化作用較弱。此外，mo的氧化物易揮發(fā)，破壞合金氧化層的連續(xù)性，降低氧化物的高溫保護(hù)作用。使用w元素部分取代mo元素，在強化ni3al相的同時，能夠有效強化固溶體相，提高合金強度，同時提高合金高溫抗氧化性，得到具有優(yōu)異高強度和抗氧化性的鑄造ni3al基高溫合金。

本發(fā)明含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金的熔點較高，可達(dá)1370℃以上，該合金無需熱處理即具有優(yōu)良常溫和高溫強度、良好韌性、強耐蝕性和抗氧化性能，在950℃空氣中氧化100小時后其氧化皮仍致密、未剝落，且成本低廉，是制造高溫爐、金屬成型設(shè)備、油處理和化學(xué)處理等設(shè)備中服役條件惡劣的產(chǎn)品的理想材料。

本發(fā)明含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金熔煉過程中，需在保護(hù)氣氛或真空下進(jìn)行，以防止合金元素與空氣中的氧和氮發(fā)生反應(yīng)，形成氧化物和氮化物夾雜，或形成揮發(fā)性氧化物。

在本發(fā)明中，各合金原料的純度≥99.5％。

所述的雜質(zhì)為p、s、n和o。

本發(fā)明含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金中，需控制雜質(zhì)元素的濃度。優(yōu)選的，以質(zhì)量百分比計，所述含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金中，p≤0.001％，s≤0.001％，n≤0.001％，o≤0.001％。

在本發(fā)明含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金中，其中ni3al相體積分?jǐn)?shù)高于70％。

本發(fā)明還公開了所述含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金的制備方法，包括以下步驟：按配比例稱取各元素原料并混合均勻，在真空或惰性氣體保護(hù)下加熱至完全熔化，混合均勻后注入模具，冷卻即可。

因合金直接在鑄態(tài)下使用，不經(jīng)過后續(xù)熱處理，因此熔煉過程中應(yīng)使各組分混合均勻。將含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金反復(fù)加熱熔化、冷卻若干次，以使各組分混合均勻。

本發(fā)明主要通過控制原料配比，在不降低合金韌性的基礎(chǔ)上，大幅度提高ni3al基高溫合金的常溫和高溫強度，獲得無需熱處理即具有優(yōu)良常溫和高溫強度、良好韌性和強耐蝕性的鑄造ni3al基合金。

加入w元素可增強鑄錠的低溫和高溫強度，但不損害合金韌性和高溫抗氧化性，加入硼降低晶界的脆性，使最終的產(chǎn)品鑄錠在常溫和高溫下具有高強度、良韌性和強耐腐蝕性。其性能可達(dá)到：

室溫力學(xué)性能：極限抗拉強度σuts＝867mpa，屈服強度σ0.2＝752mpa，塑性應(yīng)變ε＝5.1％；

600℃力學(xué)性能：σuts＝962mpa，σ0.2＝806mpa，ε＝8.4％；

800℃力學(xué)性能：σuts＝1018mpa，σ0.2＝913mpa，ε＝2.5％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

與其他ni3al基合金相比，本發(fā)明含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金的強度更高，耐磨性更高，韌性較好，組織穩(wěn)定性高，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。此外，本發(fā)明含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金的抗氧化性能極好，造價低廉，應(yīng)用前景廣闊。

本發(fā)明含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金可應(yīng)用于高溫爐的擺動梁和固定梁、爐用高溫軋輥、陶瓷料漿的攪拌葉片等。

附圖說明

圖1為實施例1制得的高強度鑄造ni3al基高溫合金的室溫、高溫工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；

圖2為實施例1制得的高強度鑄造ni3al基高溫合金的低倍形貌圖(a)、成分分布圖(b)和對應(yīng)的eds能譜圖(c)；

圖3為實施例1制得的高強度鑄造ni3al基高溫合金的晶粒內(nèi)顯微組織圖；

圖4為實施例1制得的高強度鑄造ni3al基高溫合金在各溫度下的拉伸斷口形貌照片；

圖5為實施例1制得的高強度鑄造ni3al基高溫合金的差示掃描量熱曲線。

具體實施方式

實施例1

一種含w的高強度鑄造ni3al基高溫合金，以質(zhì)量百分比的原料計，包括：5.6％cr、8.0％al、2.4％mo、0.29％ti、2.79％ta、4.89％w、1.44％fe、0.037％b、0.017％c，余量為ni。

制備方法如下：

按配比量稱取各元素原料，混合后置于ar氣氛保護(hù)的電弧熔煉爐中，加熱至熔化，冷卻得即得。為使各組分混合均勻，反復(fù)加熱熔化五次，得到成分均勻的ni3al基高溫合金鑄錠。

所制得的ni3al基高溫合金鑄錠的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1，其力學(xué)性能如下：

室溫力學(xué)性能：極限抗拉強度σuts＝867mpa，屈服強度σ0.2＝752mpa，塑性應(yīng)變ε＝5.1％；

600℃力學(xué)性能：σuts＝962mpa，σ0.2＝806mpa，ε＝8.4％；

800℃力學(xué)性能：σuts＝1018mpa，σ0.2＝913mpa，ε＝2.5％。

室溫、600℃和800℃下，實施例1制得的含w的ni3al基高溫合金比美國ni3al合金ic221m屈服強度分別高35.5％、32.1％、34.2％，抗拉強度分別高12.6％、13.2％、24.1％。

能譜儀分析表明各組分在含w的ni3al基高溫合金中分布均勻，如圖2所示。

含w的ni3al基高溫合金晶粒內(nèi)細(xì)小方塊狀的γ′均勻分布于γ相中，形成良好的γ/γ′兩相組織，如圖3所示。

含w的ni3al基高溫合金氧化性能十分好，950℃空氣中氧化100小時后，其氧化程度較輕且氧化皮未見脫落。

含w的ni3al基高溫合金在各溫度下拉伸斷口形貌如圖4所示，可見室溫和500℃下斷裂方式基本為韌窩斷裂，700℃和800℃下雖然存在沿晶斷裂，但仍存在部分韌窩斷裂，可見其塑性較好。

實施例1制得含w的ni3al基高溫合金的差示掃描量熱曲線如圖5所示，可見該合金熔點高達(dá)1372.5℃，證明該合金十分適合應(yīng)用于高溫部件。

對比例1

參見參考文獻(xiàn)：datafrom：c.t.liuetal.，alloydevelopmentandmechanicalpropertiesofnickelaluminideni3alalloys，ic221合金是一種不含w和mo的典型ni3al基高溫合金，其成分(質(zhì)量百分比)為8.51％al、0.70％zr、7.85％cr、0.02％b，余量為ni。

其鑄態(tài)合金力學(xué)性能如下：

室溫力學(xué)性能：極限抗拉強度σuts＝965mpa，屈服強度σ0.2＝382mpa，塑性應(yīng)變ε＝46.8％；

600℃力學(xué)性能：σuts＝730mpa，σ0.2＝467mpa，ε＝31.4％。

通過實施例1與對比例1相比，可見，添加w進(jìn)行強化后的實施例1制得的合金，室溫屈服強度比ic221高96.8％，極限抗拉強度持平；600℃屈服強度比ic221高72.6％，極限抗拉強度比ic221高39.4％。

對比例2

參見參考文獻(xiàn)：datafrom：j.



etal.，non-alloyedni3albasedalloys-preparationandevaluationofmechanicalproperties，metalurgija，2013，52：309-312.

實施例1制得的合金比對比例2制得的不添加w和mo的純ni3al合金(al原子百分?jǐn)?shù)為22at.％)室溫屈服強度(164mpa)高358％，抗拉強度(451mpa)高92％，塑性(1.42％)高259％。

以上所述的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種含W的高強度鑄造Ni3Al基高溫合金及其制備方法，以質(zhì)量百分比的原料計，該合金包括：Cr4.0?8.0％；Al7.0?10.0％；Mo0?4.0％；Ti0?1.0％；Ta2.0?4.0％；W4.0?8.0％；Fe0?4.0％；(Zr+Hf)0?0.1％；C0.01?0.1％；B0.01?0.1％；余量為Ni和雜質(zhì)。本發(fā)明含W的高強度鑄造Ni3Al基高溫合金無需熱處理即具有優(yōu)良常溫和高溫強度、良好韌性和強耐蝕性。

技術(shù)研發(fā)人員：貝紅斌;李吉學(xué);澇浙茱;丁青青

受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2019.07.17

技術(shù)公布日：2019.10.18