本发明涉及高温合金技术领域，尤其涉及一种含w的高强度铸造ni3al基高温合金及其制备方法。
背景技术：
目前广泛使用于煤、天然气和石油转化利用系统和先进热力发动机中的结构材料，如奥氏体不锈钢和高温合金，通常无法同时满足服役条件所需求的强度、韧性和耐蚀性。
涂层材料如fecral虽然拥有优良的耐蚀性，但其高温强度较差。因此迫切需要发展新型合金以满足高温结构部件的苛刻服役条件，即具有良好高温机械性能和优良耐蚀性的合金，而ni3al基合金恰好符合上述要求。
金属间化合物ni3al具有其独特的高温性能，十分适合应用于高温领域：
首先，ni3al的硬度随温度升高而提高，ni3al合金疲劳性能远优于镍基高温合金，且其蠕变性能与后者相当或更高。
其次，ni3al高温下易形成致密的
氧化铝，具有优良的抗腐蚀性，尤其经过预氧化处理后，与许多介质的化学互溶性均较好。
此外，ni3al合金具有优良的抗渗碳性能。
更重要的是，l12结构的ni3al长程有序的特点能够提高原子的高温扩散能垒，降低原子迁移能力，使其具有良好的结构稳定性以及由扩散过程控制的高温形变抗力。
综上所述，ni3al基合金的高温特性具有十分明显的优点，与高温陶瓷材料相似，例如优良的高温强度、抗氧化、抗渗碳和良好的疲劳性能。由于铸造ni3al基合金直接在铸态下使用，其组织结构不需要通过热处理改变，只能通过控制凝固过程来调控。所以，铸造ni3al基合金的成分选择尤其重要。
技术实现要素：
本发明提供一种含w的高强度铸造ni3al基高温合金，该合金无需热处理即具有优良常温和高温强度、良好韧性和强耐蚀性。
具体技术方案如下：
一种含w的高强度铸造ni3al基高温合金，以质量百分比的原料计，包括：
余量为ni和杂质。
本发明在传统ni3al基合金的基础上降低其主要强化元素mo的含量，设计了一种通过添加w元素以同时增强ni3al相和固溶体相的合金体系。mo元素在合金中倾向于偏聚于固溶体相，对固溶体相的强化作用较强，而对ni3al相强化作用较弱。此外，mo的氧化物易挥发，破坏合金氧化层的连续性，降低氧化物的高温保护作用。使用w元素部分取代mo元素，在强化ni3al相的同时，能够有效强化固溶体相，提高合金强度，同时提高合金高温抗氧化性，得到具有优异高强度和抗氧化性的铸造ni3al基高温合金。
本发明含w的高强度铸造ni3al基高温合金的熔点较高，可达1370℃以上，该合金无需热处理即具有优良常温和高温强度、良好韧性、强耐蚀性和抗氧化性能，在950℃空气中氧化100小时后其氧化皮仍致密、未剥落，且成本低廉，是制造高温炉、金属成型设备、油处理和化学处理等设备中服役条件恶劣的产品的理想材料。
本发明含w的高强度铸造ni3al基高温合金熔炼过程中，需在保护气氛或真空下进行，以防止合金元素与空气中的氧和氮发生反应，形成氧化物和氮化物夹杂，或形成挥发性氧化物。
在本发明中，各合金原料的纯度≥99.5％。
所述的杂质为p、s、n和o。
本发明含w的高强度铸造ni3al基高温合金中，需控制杂质元素的浓度。优选的，以质量百分比计，所述含w的高强度铸造ni3al基高温合金中，p≤0.001％，s≤0.001％，n≤0.001％，o≤0.001％。
在本发明含w的高强度铸造ni3al基高温合金中，其中ni3al相体积分数高于70％。
本发明还公开了所述含w的高强度铸造ni3al基高温合金的制备方法，包括以下步骤：按配比例称取各元素原料并混合均匀，在真空或惰性气体保护下加热至完全熔化，混合均匀后注入模具，冷却即可。
因合金直接在铸态下使用，不经过后续热处理，因此熔炼过程中应使各组分混合均匀。将含w的高强度铸造ni3al基高温合金反复加热熔化、冷却若干次，以使各组分混合均匀。
本发明主要通过控制原料配比，在不降低合金韧性的基础上，大幅度提高ni3al基高温合金的常温和高温强度，获得无需热处理即具有优良常温和高温强度、良好韧性和强耐蚀性的铸造ni3al基合金。
加入w元素可增强铸锭的低温和高温强度，但不损害合金韧性和高温抗氧化性，加入硼降低晶界的脆性，使最终的产品铸锭在常温和高温下具有高强度、良韧性和强耐腐蚀性。其性能可达到：
室温力学性能：极限抗拉强度σuts＝867mpa，屈服强度σ0.2＝752mpa，塑性应变ε＝5.1％；
600℃力学性能：σuts＝962mpa，σ0.2＝806mpa，ε＝8.4％；
800℃力学性能：σuts＝1018mpa，σ0.2＝913mpa，ε＝2.5％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
与其他ni3al基合金相比，本发明含w的高强度铸造ni3al基高温合金的强度更高，耐磨性更高，韧性较好，组织稳定性高，具有优良的综合力学性能。此外，本发明含w的高强度铸造ni3al基高温合金的抗氧化性能极好，造价低廉，应用前景广阔。
本发明含w的高强度铸造ni3al基高温合金可应用于高温炉的摆动梁和固定梁、炉用高温轧辊、陶瓷料浆的搅拌叶片等。
附图说明
图1为实施例1制得的高强度铸造ni3al基高温合金的室温、高温工程应力-应变曲线图；
图2为实施例1制得的高强度铸造ni3al基高温合金的低倍形貌图(a)、成分分布图(b)和对应的eds能谱图(c)；
图3为实施例1制得的高强度铸造ni3al基高温合金的晶粒内显微组织图；
图4为实施例1制得的高强度铸造ni3al基高温合金在各温度下的拉伸断口形貌照片；
图5为实施例1制得的高强度铸造ni3al基高温合金的差示扫描量热曲线。
具体实施方式
实施例1
一种含w的高强度铸造ni3al基高温合金，以质量百分比的原料计，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，余量为ni。
制备方法如下：
按配比量称取各元素原料，混合后置于ar气氛保护的电弧熔炼炉中，加热至熔化，冷却得即得。为使各组分混合均匀，反复加热熔化五次，得到成分均匀的ni3al基高温合金铸锭。
所制得的ni3al基高温合金铸锭的应力应变曲线见图1，其力学性能如下：
室温力学性能：极限抗拉强度σuts＝867mpa，屈服强度σ0.2＝752mpa，塑性应变ε＝5.1％；
600℃力学性能：σuts＝962mpa，σ0.2＝806mpa，ε＝8.4％；
800℃力学性能：σuts＝1018mpa，σ0.2＝913mpa，ε＝2.5％。
室温、600℃和800℃下，实施例1制得的含w的ni3al基高温合金比美国ni3al合金ic221m屈服强度分别高35.5％、32.1％、34.2％，抗拉强度分别高12.6％、13.2％、24.1％。
能谱仪分析表明各组分在含w的ni3al基高温合金中分布均匀，如图2所示。
含w的ni3al基高温合金晶粒内细小方块状的γ′均匀分布于γ相中，形成良好的γ/γ′两相组织，如图3所示。
含w的ni3al基高温合金氧化性能十分好，950℃空气中氧化100小时后，其氧化程度较轻且氧化皮未见脱落。
含w的ni3al基高温合金在各温度下拉伸断口形貌如图4所示，可见室温和500℃下断裂方式基本为韧窝断裂，700℃和800℃下虽然存在沿晶断裂，但仍存在部分韧窝断裂，可见其塑性较好。
实施例1制得含w的ni3al基高温合金的差示扫描量热曲线如图5所示，可见该合金熔点高达1372.5℃，证明该合金十分适合应用于高温部件。
对比例1
参见参考文献：datafrom：c.t.liuetal.，alloydevelopmentandmechanicalpropertiesofnickelaluminideni3alalloys，ic221合金是一种不含w和mo的典型ni3al基高温合金，其成分(质量百分比)为8.51％al、0.70％zr、7.85％cr、0.02％b，余量为ni。
其铸态合金力学性能如下：
室温力学性能：极限抗拉强度σuts＝965mpa，屈服强度σ0.2＝382mpa，塑性应变ε＝46.8％；
600℃力学性能：σuts＝730mpa，σ0.2＝467mpa，ε＝31.4％。
通过实施例1与对比例1相比，可见，添加w进行强化后的实施例1制得的合金，室温屈服强度比ic221高96.8％，极限抗拉强度持平；600℃屈服强度比ic221高72.6％，极限抗拉强度比ic221高39.4％。
对比例2
参见参考文献：datafrom：j.
etal.，non-alloyedni3albasedalloys-preparationandevaluationofmechanicalproperties，metalurgija，2013，52：309-312.
实施例1制得的合金比对比例2制得的不添加w和mo的纯ni3al合金(al原子百分数为22at.％)室温屈服强度(164mpa)高358％，抗拉强度(451mpa)高92％，塑性(1.42％)高259％。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
技术总结
本发明公开了一种含W的高强度铸造Ni3Al基高温合金及其制备方法，以质量百分比的原料计，该合金包括：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％；余量为Ni和杂质。本发明含W的高强度铸造Ni3Al基高温合金无需热处理即具有优良常温和高温强度、良好韧性和强耐蚀性。
技术研发人员：贝红斌;李吉学;涝浙茱;丁青青
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2019.07.17
技术公布日：2019.10.18
声明：
“含W的高强度铸造Ni3Al基高温合金及其制备方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：浙江大学
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2024年12月20日 ~ 22日 
