CN1150826A - 金属间的镍-铝基合金 - Google Patents
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Abstract
一种金属间的镍铝基合金,它的组织主要由二元相NiAl组成,以及此外还有元素铬和钽,铬和钽元素的成分总共最多为12原子%,最佳的含量范围钽为0.3至3.8原子%,铬为1.0至9.0原子%。这种金属间的镍铝基合金的主要特点,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结构构件,例如燃气涡轮机的叶片。由于它有高的抗氧化性,所以可以不需要附加的氧化保护层。
Description
本发明涉及一种金属间的镍-铝基合金,它有二元相NiAl。此外,本发明还涉及此金属间的镍铝基合金的应用。
在DE-AS1812144中介绍了制造一种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,从而形成一种具有纤维结构或分层结构的自支撑和整体式模制体。镍的成分至少为80%,铝的成分最高为20%。此整体式模制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,从设计步骤中无从获悉。
本发明的目的是改进一种镍铝合金的热机械性能。在这里主要是指热强度、耐氧化性和抗热冲击性。本发明另一个目的是给出作如此改进后的镍铝合金的应用。
本发明的目的是通过一种金属间的镍铝基合金来实现的,它主要有二元相NiAl和另外还附加有铬和钽,其中,铬和钽的总含量最大为12原子%。二元相NiAl的成分最好在70至95原子%之间,尤其在85至90原子%之间。钽或铬的最佳含量范围为0.3至3.8原子%或1.0至9.0原子%。在这样的范围内,最好采用0.3至0.9原子%的钽和1.0至3原子%的铬,或1.7至3.0原子%的钽和6.0至9.0原子%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中置换元素的浓度达到最大值。通过添加钽和铬,会在金属间镍铝基合金中二元相NiAl的晶界上产生粗大的多元拉夫斯相析出,其中可能有元素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5至11体积%的拉夫斯相、在NiAl中3至10体积%的析出物以及其余为NiAl组成。业已证实特别有利的是,在组织中含有在晶界上的约11体积%拉夫斯相加和在NiAl中约10体积%析出物以及其余为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,数量各至1原子%,但总量不超过3原子%时,则可以进一步改进某种性能。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,使金属间合金变脆和加工性很差。
通过添加铁、钼、钨、铌和铪族的一种或多种元素分别至1原子%,但总量不超过3原子%,可以获得短时负载时的强度增加。当然蠕变强度减小了。通过添加铪,在第一次腐蚀后促使改善氧化层的附着。
为达到按本发明针对合金的使用提出的目的,是将NiAl基合金用于制造燃气轮机的结构构件,尤其是高温负荷的构件如燃气涡轮机叶片。燃气轮机由这种基合金制造的构件尤其是涡轮机叶片,由于其高的抗氧化能力,因而特别适合在高温下长期使用,例如高于1100℃,尤其是在1350℃的情况下。在采用这种基合金制的构件时,与超级高温合金不同,根据不同的要求它可以不需要附加的带保护层的涂层。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机叶片,可以非常简便地生产,与由多层组成的涡轮机叶片相比,摆脱了在各层之间连接的困难。
一般而言,这种金属间的镍铝基合金也适合于作为制造这些物品的材料,即,它们必须具有高强度、高耐热性、良好的韧性、良好的耐氧化性以及良好的抗热中击能力。其中,在室温下,在0.2%屈服点时热强度高于600MPa。在0.2%屈服点时,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,抗氧化性在数量级为5*10-14g2cm-4s。
下面借助于举例详细说明这种金属间的镍铝基合金。
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 |
USM 2823 | 44.40 | 43.90 | 2.90 | 8.50 | 0.14Fe,0.02D |
USM 2922 | 45.00 | 45.00 | 2.00 | 8.00 | |
PM 75/76 | 44.10 | 44.10 | 2.40 | 7.70 | 0.09Fe,0.06C,0.09O,33ppm N,14ppm S |
VA892/SP75 | 44.50 | 45.20 | 2.53 | 7.60 | 90ppm Hf,0.04C,20ppm S,61ppm o |
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选择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,井紧接着在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确的较高强度,而例如挤压的材料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。
表2
温度、(按℃)合金牌号: | 23 | 200 | 400 | 600 | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1200 |
SSm 364 | 650 | 520 | 451 | 201 | 146 | 94 | 60 | 46 | |
VA2823 | 640 | 524 | 414 | 264 | 137 | 83 | |||
USM 2823 | 1501 | 1494 | 584 | 404 | 186 | 125 | 88 | ||
PM 75 | 814 | 593 | 456 | 284 | 126 | 65 | |||
PM 76 | 869 | 562 | 466 | 275 | 113 | 51 | |||
VA892 | 133 | ||||||||
SP 75 | 730 | 581 | 344 | 294 | 113 | 69 |
表3表示在压缩试验中被研究合金的抗蠕变强度(按MPa)(在1000℃和1100℃下二次稳定的蠕变强度作为应变率按[按l/S]的函数)。
表3
应变率按(l/s)合金牌号: | 1.00E-08在1000℃ | 1.00E-07在1000℃ | 1.00E-06在1000℃ | 1.00E-08在1100℃ | 1.00E-07在1100℃ | 1.00E-06在1100℃ |
Ssm 364 | 19.90 | 36.10 | 55.50 | 14.60 | 20.00 | 34.60 |
VA/SM | 16.50 | 23.20 | 33.40 | |||
USM 2823(铸件) | 79.00 | 98.00 | 28.50 | 32.80 | 39.00 | |
PM 75 | 13.90 | 22.90 | 36.80 | 17.50 | ||
PM 76 | 11.20 | 19.90 | 338.80 | 11.00 | ||
SP 75 | 10.00 | 18.00 | 33.90 | 11.10 |
这种合金的蠕变强度高于类似的金属间相的蠕变强度,例如高于二元的NiAl或NiAlCr合金的蠕变强度。
表4a列出了对传统的超级高温合金、二元的NiAl合金和NiAl-Ta-Cr合金在压缩试验中0.2%屈眼点(按MPa)的比较。
表4a
温度: | 超级高温合金 | Ni50Al50 | NiAl-Ta-Cr铸件/PM75 |
900℃ | 424 | 47 | 345/205 |
1000℃ | 135 | 26 | 186/126 |
1100℃ | 28 | 18 | 125/65 |
有关0.2%屈眼点,上表证实按本发明的合金在温度高于1000℃时具有优越性。
下列表4b列出了超级高温合金、二元的NiAl合金和所发明的NiAl-Ta-Cr合金在压缩试验中当ε=10-7l/S时稳定的抗蠕变强度(按MPa)的比较。
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。
与传统的超级高温合金相比,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强度的突然下降,这种强度的突然下降归因于固相的疏松。
表5表示各种陶瓷的粉末冶金程序生产的NiAl-Ta-Cr合金由工业资料已知的KIC值的比较。
表5
NiAl铸件 | NiAl-Ta-Cr铸件 | NiAl-Ta-Cr PM | NiAl-Ta-Cr SP | SiC | |
KIC/MPa m | 4-5* | 4.5 | 8 | 8-11 | 4.6 |
*Reuβ,博士论文,北莱茵-威斯特法伦-亚琛工大
金属间的NiAl基合金的韧性比二元的NiAl和SiC测得的数据要好得多。
此合金具有数量级为5*10-14g2Cm-4S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。与超级高温合金相比,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连接问题。
赋予了足够的抗热冲击能力。在1350℃时合金经500个温度循环后做到了对材料没有损害。
Claims (12)
1、一种金属间的镍-铝基合金,它的组织主要由二元相NiAl组成,并有铬和钽,其中这两种元素铬和钽含量最高至12原子%。
2、按照权利要求1所述的合金,其特征在于:二元相NiAl在组织中总计占70原子%至95原子%,尤其是85原子%至90原子%。
3、按照权利要求1或2所述的合金,其特征在于:它含有0.3原子%至3.0原子%的钽,和1.0原子%至9.0原子%的铬。
4、按照权利要求3所述的合金,其特征在于:它含有0.3原子%至0.9原子%的钽,和1.0原子%至3.0原子%的铬。
5、按照权利要求3所述的合金,其特征在于:它含有0.7原子%至3.0原子%的钽,和6.0原子%至9.0原子%的铬。
6、按照上述任一项权利要求所述的合金,其特征在于:它含有比例为1∶3或更小的钽和铬。
7、按照上述任一项权利要求所述的合金,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。
8、按照权利要求7所述的合金,其特征在于,它的组织含5至10体积%的粗大拉夫斯相析出物,在NiAl内有3至10体积%的细小拉夫斯相析出物和α铬。
9、按照权利要求8所述的合金,其特征在于,它的组织在晶界面上约有11体积%的拉夫斯相和在二元的NiAl内约有10体积%的析出物。
10、按照上述任一项权利要求所述的合金,其特征在于:它至少含有一种来自铁、钼、钨、铌和铪族的元素,其含量分别至1原子%,但总量不超过3原子%。
11、金属间的镍铝基合金的应用,这种合金主要有二元相的NiAl以及有元素钽和铬,其中,钽和铬总成分最高至12原子%,它应用于作为制造燃气轮机结构构件的材料,例如燃气涡轮机工作叶片和燃气涡轮机导向叶片。
12、应用按照权利要求1至10中任一项所述成分的合金作为制造构件的材料,这种合金有室温下0.2%屈服点高于600MPa的高强度,800℃时0.2%屈服点高于200MPa,1000℃时高于90MPa的高耐热强度,KIC至少7MPa/m的良好韧性,5*10-14g2Cm-4S的良好耐氧化性,以及良好的抗热冲击性。
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