CN1044493C - 镍－铝金属间化合物基合金及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种镍-铝金属间化合物基合金，它的组织主要由二元相NiAl组成，以及此外还有元素铬和钽。铬和钽元素的原子百分含量总计不能超过12%。最佳的含量范围钽在0.3%至3.8%之间，铬在1.0%至9.0%之间。这种镍-铝金属间化合物基合金的主要特点，是在高温下例如1350℃时有高的抗氧化性能。因此，它适用于制造受高温持久荷载的构件，例如燃气涡轮机的叶片。由于它有高的抗氧化性，所以不需附加的氧化保护层。

Description

镍-铝金属间化合物基合金及其应用
本发明涉及一种镍-铝金属间化合物基合金，它具有二元相NiAl。此外，本发明还涉及此镍-铝金属间化合物基合金的应用。
这样一种镍-铝金属间化合物基合金在论文“NiAl Alloys for HighTemperature Structural Applications”(Journal of Metals,1991年3月，第44页起)中有所介绍。
在DE-AS1812144中介绍了一种制造高强度的具有良好耐氧化性的镍铝材料的方法。按这种方法，镍粉与铝粉混合，接着压制和冷却变形，从而形成一种具有能自支撑且相互关联的纤维结构或分层结构的成形体。镍的成分至少为80％，铝的成分最高为20％。此成形体紧接着依次在各个高温下热变形。在镍中除了铝的固溶体外，在这种情况下还主要形成化合物Ni3Al。这种固溶体以及化合物Ni3Al通过X射线分析可以被证实。采用这种方法在镍和铝之间会产生多少其它的化合物，从该生产方法的各步骤中无从获悉。
本发明的目的是改进镍铝合金的热机械性能，尤其是其热强度、耐氧化性和抗热冲击性。本发明另一个目的是给出如此改进后的镍铝合金的用途。
本发明的目的是通过一种镍-铝金属间化合物基合金来实现的，它主要具有二元相NiAl和另外还具有铬和钽，其中，铬和钽的原子百分含量最计不能超过12％，并可选择地在合金中附加至少一种来自铁、钼、钨、铌和铪族的元素，其原子百含量分别可达1％，但其总含量不超过3％。二元相NiAl的原子百分含量最好在70％至95％之间，尤其在85％至90％之间。钽或铬的原子百分含量的最佳范围在0.3％至3.8％或1.0％至9.0％之间。在这样的范围内，最好采用原子百分含量在0.3％至0.9％之间的钽和原子百分含量在1.0％至3％之间的铬，或原子百分含量在1.7％至3.0％之间的钽和原子百分含量在6.0％至9.0％之间的铬。
在这种情况下钽与铬之比最好为1∶3或更小。采用这样的比例，在NiAl中的置换元素的浓度达到最大值。通过添加钽和铬，在镍-铝金属间化合物基合金中二元相NiAl的晶界上会有粗大的多元拉夫斯相析出，其中成分可能有元素Ni,Al,Cr和Ta。此外，在NiAl晶粒内部析出细小的拉夫斯相和α-铬。在这种情况下，组织最好由体积百分比为5％至11％的粗大拉夫斯相析出物、和在NiAl晶粒内部析出的体积百分比在3％至10％之间的析出物以及剩下的NiAl组成。业已证实特别有利的是，该组织含有在晶界上的体积百分比约为11％的拉夫斯相析出物和在NiAl中晶粒内部析出的体积百分比约为10％的析出物，剩下的则为NiAl。
若在此合金中附加地含有铁、钼、钨和铪族中的至少一种元素，其原子百分含量分别可达1.0％，但它们的总含量不超过3％，这样可以进一步使该合金的性能得到一定的提高。除此之外，合金可能具有示踪元素如氧、氮和硫以及制造引起的杂质。
通过按上述含量范围添加钽和铬，形成已提及的粗或细的多元拉夫斯相和α-铬。这些析出物通常可以在不同的NiAl晶粒的楔点(Zwickelpunkten)上找到。若合金元素钽或铬高于所说明的量，可能导致以不希望的程度增加析出量。在拉夫斯相的体积含量过分强烈地增加时，形成一种细胞状组织，其中拉夫斯相起母体的作用。在组织中拉夫斯相含量过大，使金属间化合物基合金变脆和加工性很差。
通过添加原子百分含量分别可以达到1％，但它们的总含量不超过3％的铁、钼、钨、铌和铪族的一种或多种元素，该合金在短时间内承受负载的强度增加，然而其蠕变强度减小。通过添加铪，在第一次腐蚀后可改善氧化层的附着。
为达到本发明合金有关使用方面的目的，可采用该NiAl基合金来制造燃气轮机的部件，尤其是承受高温负荷的构件，如燃气涡轮机叶片。当燃气轮机的构件，尤其是涡轮机叶片由这种NiAl基合金制成时，由于其高的抗氧化能力，因而特别适合在高温下长期使用，例如在高于1100℃，尤其是在1350℃的温度环境下使用。这种构件，与采用超级合金制成的构件相比，其不同之处在于，根据不同的要求这种由NiAl基合金制成的构件可以不需要一层附加的保护层。由一种统一的合金组成而在其上面无需敷设附加层所制成的涡轮叶片，可以非常简便地生产，与由多层组成的涡轮机叶片相比，摆脱了在各层之间结合的难题。
这种金属间的镍-铝基合金通常也适合于作为材料制造这样的物品，即，需要具有高强度、高耐热性、良好的韧性、良好的耐氧化性以及良好的抗热冲击能力的那样一些物品。例如，在室温下，在0.2％屈服点处的热强度高于600MPa。在0.2％屈服点处，在800℃下的耐热强度高于200MPa，而在1000℃时高于90MPa。韧性至少为7MPa/m，以及，抗氧化性的数量级为5·10-14g2cm-4s。
下面借助于举例详细说明这种镍-铝金属间化合物基合金。
所研究的合金成分(按原子百分数)表示在下表1中。表1
Ni Al Ta Cr 其它
SSM364 45.00 45.00 2.50 7.5
VA2823 44.50 44.50 2.50 8.00 0.39Fe,0.105C
USM2823 44.40 43.90 2.90 8.50 0.14Fe,0.02D
USM2922 45.00 45.00 2.00 8.00
PM75/76 44.10 44.10 2.40 7.70 0.09Fe,0.06C,0.09O,33ppmN,14ppmS
VA892/SP75 44.50 45.20 2.53 7.60 90ppmHf,0.04C,20ppmS,61ppmO
组织的结构，亦即晶粒大小、析出物的分布和析出物的大小，随生产过程变化很大。通过热力学处理、挤压(SP)或使用粉末冶金的制造路线(PM)，可使拉夫斯相颗粒的分布均匀化。
合金的机械性能与所制造的制造过程密切相关。对于这种合金遵循下列制造路线：
-尽可能定向凝固，通过浇注工艺生成无缺陷的组织。过程参数与超级高温合金的过程参数相应(参见U.Paul,VDI-进度报告Nr.264,VDI出版社)，
-粉末冶金：通过吹入惰性气体，并紧接着在1250℃下热等压压制，
-在1250℃下挤压，使组织均匀化并调整为规定的晶粒直径尺寸，
-在多轴的应力状态和1100℃下热压。
定向凝固试样具有明显较高的强度，而例如挤压的材料却具有降低了的或很低的强度。下列表2表示不同的合金和NiAl在镦粗试验中的0.2％屈服点。
合金牌号：
SSm364 650 520 451 201 146 94 60 46
VA2823 640 524 414 264 137 83
USM2823 1501 1494 584 404 186 125 88
PM75 814 593 456 284 126 65
PM76 869 562 466 275 113 5l
VA892 133
SP75 730 581 344 294 113 69
表3表示在压缩试验中所研究的合金的抗蠕变强度(MPa)(以应变率[1/S]表示的在1000℃和1100℃下二次稳定的蠕变强度)。表3
Figure C9519362200071
这种合金的蠕变强度比类似的金属间互化金相的蠕变强度更高，例如高于二元的NiAl或NiAlCr合金的蠕变强度。
在表4a中，对传统的超级合金、二元的NiAl合金和NiAl-Ta-Cr合金在压缩试验中的0.2％屈服极限(MPa)作了比较。表4a
    温度： 超级合金 Ni50Al50  NiAl-Ta-Cr铸件/PM75
    900℃     424     47     345/205
    1000℃     135     26     186/126
    1100℃     28     18     125/65
上表证实本发明合金在温度高于1000℃时，其0.2％屈服极限更高，更优越。
在下表4b中，对超级合金，二元的NiAl合金和本发明的NiAl-Ta-Cr合金在压缩试验中当ε=10-71/S时稳定的抗蠕变强度(MPa)作了比较。表4b
    温度：     Ni50Al50     NiAl-Ta-Cr2823/2922     NiAl-Ta-CrPM75/SP75
    1000℃     13     79/89     23/19
    1100℃     n.b.     33/33     10/6
    1200℃     n.b.     /21
表中的缩写n.b是表示有关的值未确定。
与传统的超级合金相比，NiAl-Ta-Cr合金的优点在于，即使高于1050℃至1150℃，它仍有足够的强度。在这种合金中不存在因固相疏松造成强度的突然下降。
在表5中，对从现有工业资料查得的各种陶瓷的KIC值及以粉末冶金方法生产出的NiA1-Ta-Cr合金的KIC值作了比较。表5
 NiAl铸件 NiAl-Ta-Cr铸件 NiAl-Ta-CrPM  NiAl-Ta-CrSP     SiC
 KIc/Mpam     4-5*     4.5     8  8-11     4.6
*表示该数据取自北莱茵-威斯特法伦-亚琛工大的Reuβ的博士论文。
NiAl基合金的韧性比所测得的二元的NiAl和SiC的韧性要好得多。
此合金具有数量级为5·10-14g2cm4S的良好的抗氧化性，因此，它与二元的NiAl的抗氧化性相同或更好。与超级合金相比，在高温下不需要保护层，例如陶瓷材料保护层。从而避免了在陶瓷与金属部分之间的结合难题。
该合金还具有足够的抗热冲击能力。在1350℃时经500个温度循环对该合金材料仍没有损害。

Claims (12)

1．一种镍-铝金属间化合物基合金，它含有：
-原子百分含量在1.0％至9.0％之间的铬，
-原子百分含量在0.3％至3.8％之间的钽，
其中铬和钽的总含量最多为12％，
-并可选择地在合金中附加至少一种来自铁、钼、钨、铌和铪族的元素，其原子百分含量分别可达1.0％，但它们的总含量不超过3.0％，
-合金中剩下的成份有二元相NiAl以及可能因生产引起的杂质和示踪元素。
2．如权利要求1所述的合金，其特征在于，所述二元相NiAl在组织中的原子百分含量总计在70％至95％之间。
3．如权利要求2所述的合金，其特征在于，所述二元相NiAl在组织中的原子百分含量总计在85％至90％之间。
4．如权利要求1所述的合金，其特征在于，它含有原子百分含量在0.3％至3.8％之间的钽和原子百分含量在1.0％至9.0％之间的铬。
5．如权利要求4所述的合金，其特征在于，它含有原子百分含量在0.3％至0.9％之间的钽和原子百分含量在1.0％至3.0％之间的铬。
6．如权利要求4所述的合金，其特征在于，它含有原子百分含量在1.7％至3.0％之间的钽和原子百分含量在6.0％至9.0％之间的铬。
7．如权利要求1至6中任一项所述的合金，其特征在于，它含有的钽和铬的比例为1∶3或更小。
8．如权利要求1至6中任一项所述的合金，其特征在于，在至少一些NiAl晶界存在粗大的拉夫斯相析出物，以及至少在一些镍-铝晶粒内部存在细小的拉夫斯相析出物和α铬。
9．如权利要求8所述的合金，其特征在于，它的组织含有体积百分含量在5％至11％之间的粗大拉夫斯相析出物，和在NiAl晶粒内部析出的体积百分含量在3％至10％之间的细小拉夫斯相析出物和α铬。
10．如权利要求9所述的合金，其特征在于，它的组织在晶界面上有体积百分含量为11％的拉夫斯相析出物和在二元相的NiAl内有体积百分含量为10％的析出物。
11．采用上述任一项权利要求所述镍-铝金属间化合物基合金作为燃气轮机构件的制造材料。
12．一种由权利要求1所述合金制造的构件，其在室温下在0.2％屈服点处有高于600MPa的高强度，在0.2％屈服点处800℃时有高于200MPa，1000℃时有高于90MPa的高耐热强度，有至少为7MP/m的良好韧性(Kk)和良好的抗热冲击性。
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