一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法
2023-05-22 06:17:36 1
專利名稱：一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法
技術領域：
本發明屬於用強磁場進行材料改性的技術領域。
背景技術：
NiAl系合金最近十幾年是國內外研究的熱門合金材料之一。它具有高溫強度高、抗氧化性能好等特點，可望成為新型高溫結構材料，在航空航天工業獲得應用。但是絕大部分NiAl系韌性較差，特別是在室溫下，強度和韌性都較低。因而，材料科學工作者採用了多種手段來解決這個問題，如合金化、熱等靜壓、定向凝固等等來提高合金的強度和韌性，然而目前的改進方法都是有限，合金還沒有達到使用要求。
發明內容
本發明的目的就是提供一種用強磁場改善NiAl系合金的強度和韌性、方法簡單、成本低廉。
本發明的技術構思是在真空、保護性氣體或大氣環境下，將NiAl系合金放置在強磁場中，磁場是恆定的、交變的或脈衝的。在一定的溫度和磁場強度條件，進行處理一定的時間，這種處理可以多次反覆進行，最終使NiAl系合金的強度和韌性獲得明顯改善。
本發明的技術解決方案是，一種用強磁場改善NiAl系合金的強度和韌性的方法，將合金中的主要元素為Ni、Al、Cr、Mo、Ti、Hf，和Fe，按原子百分比，主要成分為20-80％Ni，20-80％Al，0-35％Cr，0-15％Mo，0-3％Ti，0-1％Hf，0-35％Fe的合金，在真空感應爐內熔煉，將材料加溫至20-1600℃，用1-100T強磁場沿試件不同方向處理一定時間(≥1分鐘)，撤去磁場，自然冷卻至室溫。
作為原料的電解鎳純度為≥99.9％、金屬鋁純度為≥99.9％、鉻純度為≥99.5％、鉬純度為≥99.99％、鉿純度為≥73.5％、鐵純度≥98％、鈦的純度≥99％。
本發明達到的有益效果是經磁場處理後的試件，在MTS材料試驗機上進行三點彎曲強度試驗和壓縮試驗。
1.抗彎性能三點彎曲試驗方法實驗誤差小、穩定性好。試件經過磁場處理後的試樣強度明顯提高。NiAl系合金的室溫脆性很大，經過強磁場處理後，雖然沒有出現明顯屈服現象，但是強度有較大提高，並且埠觀察發現韌性斷裂特徵。抗彎試驗的力-位移曲線明顯顯示強磁場處理沒有改變材料的彈性模量。磁場處理使材料在發生較大的彈性變形後，產生斷裂。
2.室溫壓縮性能試樣未經過磁場處理時，呈現明顯的脆性斷裂特徵；經過磁場處理後的縱向壓縮強度提高了約60-70％，並呈現出一定的塑性壓縮特徵；橫向壓縮強度提高了約100％以上，塑性行為明顯，延伸率達到了20％以上。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
圖1試樣抗彎強度的比較圖。
圖2試件斷裂斷口的宏觀形貌(a)無磁場處理；(b)磁場處理後。
圖3 SEM觀察試件的彎曲斷裂斷口形貌(a)、(c)磁場處理；(b)、(d)沒有磁場處理。
圖4合金未處理時的壓縮力學特性圖。
圖5合金經過強磁場處理後的縱向壓縮力學特性圖。
圖6合金經過強磁場處理後的橫向壓縮力學特性圖。
圖7 SEM觀察未經磁場處理的彎曲斷裂斷口的微裂紋。
圖8合金未處理時的壓縮力學特性圖。
圖9合金經過強磁場處理後的縱向壓縮力學特性圖。
圖10合金經過強磁場處理後的橫向壓縮力學特性圖。
圖11合金經過強磁場處理後的橫向壓縮力學特性圖。
具體實施例方式
實施例1合金的名義成分為Ni-33at％Al-28at％Cr-5.8at％Mo-0.2at％Hf，原料採用電解鎳(99.9％)、金屬鋁(99.9％)、鉻(99.5％)、鉬(99.99％)和鉿(73.5％)；在真空感應爐內熔煉；經過熱處理工藝為1050℃保溫1小時，隨爐冷卻。
用線切割加工成各種尺寸的試樣。試樣加溫至900℃，用10T強磁場處理45分鐘，撤去磁場，自然冷卻至室溫。
試樣的抗彎強度如圖1所示，沒有磁場處理的試樣平均抗彎強度為245MPa，而經過磁場處理的試樣平均抗彎強度為430MPa，提高了75％。
強磁場處理後抗彎強度試驗試樣的斷裂斷口形貌發生明顯變化。未經磁場處理的試件斷口截面總是與長度方向(L方向)垂直，表現為脆性斷裂特徵。而經過磁場處理後的試件斷口為斜截面(與試件長度L方向呈大約45-55°)，具有韌性斷裂的特點，如圖2所示。這種斜截面斷口特徵表明NiAl-Cr(Mo)-Hf合金經強磁場處理後，在試樣的長度方向(磁場方向)強度明顯增強，呈現力學性能的各向異性。
經過磁場處理後的試樣斷口具有許多韌性斷裂的特徵，斷口的形貌大量地表現為顯微撕裂，並且沒有發現微觀裂紋，局部的解理斷裂臺階很少，參見圖3。而沒有經過磁場處理的試樣斷口可見到大量的解理面，呈現明顯的脆性斷裂特徵，且有明顯的斷裂裂紋傳播紋理，在局部發現一些顯微裂紋，而這些裂紋大都沿著傳播紋理的方向。強磁場處理使合金的室溫斷裂方式發生變化。
試樣未經過磁場處理時的壓縮力學特性如圖4所示，經過磁場處理後的縱向和橫向壓縮力學特性如圖5、6所示。未經過磁場處理時試樣呈現明顯的脆性斷裂特徵；經過磁場處理後的縱向壓縮強度提高了約70％，並呈現出一定的塑性壓縮特徵；橫向壓縮強度提高了約100％，塑性行為明顯，延伸率達到了20％。
實施例2合金的名義成分為Ni20Al30Fe，原料採用電解鎳(99.9％)、金屬鋁(99.9％)、鉻(99.5％)；在真空感應爐內熔煉；用線切割加工成各種尺寸的試樣。試樣加溫至700℃，用10T強磁場處理35分鐘，撤去磁場，自然冷卻至室溫。室溫下拉伸屈服強度由約600MPa提高到720MPa，拉伸斷裂強度由約800MPa提高到900Mpa，斷裂延伸率由9％提高到15％。
權利要求
1.一種用強磁場改善鎳鋁系合金的強度和韌性的方法，其特徵在於，合金中的主要元素為Ni、Al、Cr、Mo、Ti、Hf，和Fe，按原子百分比，主要成分為20-80％Ni，20-80％Al，0-35％Cr，0-15％Mo，0-3％Ti，0-1％Hf，0-35％Fe，在真空感應爐內熔煉，將材料加溫至20-1600℃，用1-100T強磁場沿試件不同方向處理，撤去磁場，自然冷卻至室溫。
2.根據權利要求1所述的一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法，其特徵在於，作為原料的電解鎳純度為≥99.9％、金屬鋁純度為≥99.9％、鉻純度為≥99.5％、鉬純度為≥99.99％、鉿純度為≥73.5％、鐵純度≥98％、鈦的純度≥99％。
3.根據權利要求1所述的一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法，其特徵在於，環境是在真空、保護性氣體或大氣環境下。
4.根據權利要求1所述的一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法，其特徵在於，磁場是恆定的。
5.根據權利要求1所述的一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法，其特徵在於，磁場是交變磁場。
6.根據權利要求1所述的一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法，其特徵在於，磁場是脈衝磁場。
全文摘要
一種用強磁場增強鎳鋁系合金的強度和韌性的方法，屬於用強磁場進行材料改性的技術領域。NiAl系合金的室溫強度和韌性都較低，是國內外材料界長期沒有解決的重要難題，從而嚴重影響了合金的應用。本發明發現利用強磁場在某種條件下NiAl系合金的強度和韌性。例如，NiAlCr(Mo)Hf經過強磁場處理後室溫強度增強了約100％，室溫壓縮塑性延伸率達到了20％以上。從而找到了一種成本低廉、工藝簡單的合金改性方法。利用本技術對NiAl系合金改性後，合金材料可望在各種航天、航空高溫發動機、軍事、民用等領域獲得應用。
文檔編號C22F3/00GK1542157SQ20031010501
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月4日 優先權日2003年11月4日
發明者吳承偉, 周文龍, 馬國軍, 郭杏林 申請人:大連理工大學