[发明专利]改善铸态Fe3Al基金属间化合物合金中温持久性能的方法

说明书

本发明是关于一种改善铸态Fe₃Al基金属间化合物合金中温持久性能的方法。

Fe₃Al基金属间化合物合金具有优异的高温抗氧化、抗硫化性能、较低的密度、低廉的成本，可望取代不锈钢在某些中高温腐蚀环境中得到应用。然而，严重的室温脆性和600℃以上低的高温强度妨碍了它的推广应用及商品化。八十年代末，美国橡树岭国立实验室对Fe₃Al金属间化合物的脆性本质展开系统研究，发现导致Fe₃Al室温脆性的原因主要来自两个方面，一是解理强度低，二是由环境中的氢所致。通过添加合金元素Cr，提高了解理强度，降低了反相畴界能，室温塑性得到了一定程度的改善，室温拉伸延伸率达到9％左右(参见J.Mater.Res，1989，Vo14 p1156-1163)。九十年代初，通过合金化及热加工工艺控制，Fe₃Al基金属间化合物合金的室温环境脆性敏感程度进一步降低，室温塑性和600℃瞬时强度获得较大幅度的改善，其瞬时性能已可与某些不锈钢相媲美(参见WO90/10722，1990，9，US4961903，1989，7；US5084109，1992，2；金属学报，1993，Vo129(A)，p354-358)，而中温持久性能的改善却进展迟缓。根据已公开文献报道，美国橡树岭国立实验室采用多元合金化手段，添加合金元素Cr、Mo、Nb、Zr、V、Y、C等，获得近150种Fe₃Al基金属间化合物合金试图通过成分的优化组合来改善中温持久性能。在593℃、207MPa的条件下，持久寿命达到200小时(J.Mater.Res，1991，Vo16，p1779-1805)。材料的具体制备工艺是：电弧炉熔炼，经1000-850℃热轧、650℃温轧加工成0.76mm的薄板。尽管多元合金化在一定程度上改善了Fe₃Al基金属间化合物合金的中温持久性能，但也带来一些问题，如冶炼难度增加，原材料成本提高，室温塑性变差等。

本发明的目的是提出一种既简单而又行之有效的方法，在不损失铸态Fe₃Al基金属间化合物合金其它性能的情况下改善其中温持久性能。

本发明技术方案是采用一种新的热处理方法来改善铸态Fe₃Al基金属间化合物合金的中温持久性能。本发明具体所涉及的Fe₃Al基金属间化合物合金的化学成分(以原子百分比表示)是：Al 26-30％，Cr 2-10％，C 0.05-0.5％，微量碳化物形成元素Nb、Zr及少量固溶元素Mo、余量Fe。改善中温持久性能的具体工艺是：1000-1350℃退火1-3天，然后随炉冷却。

中高温下晶界迁移率高和再结晶温度低是导致Fe₃Al基金属间化合物合金持久性能低的重要原因(J.Mater.Res，1992，Vo17 P2089-2106)。中高温下高的晶界迁移率易使晶界在外应力作用下产生滑动，过早地萌生裂纹，导致持久寿命降低；而再结晶温度低，则易使金属间化合物合金回复或再结晶发生软化，同样会降低持久寿命。本发明以Fe-26-30at％Al-2-10at％Cr为基础合金，在二元Fe₃Al金属间化合物室温塑性有所改善的基础上，添加合金元素Mo、Nb、Zr、C等强化基体以改善中高温持久性能。合金元素Mo固溶于Fe₃Al金属间化合物基体中，起到固溶强化作用，并提高铁铝金属间化合物再结晶温度20-50℃左右。此外，还提高DO₃-B2转变温度。而Nb、Zr、C合金元素的添加，则会形成弥散碳化物粒子强化基体、钉扎晶界。对铸态Fe₃Al基金属间化合物合金显微组织的观察表明，大量第二相碳化物粒子沿晶界不连续分布，也有少量粒子在晶内分布，见图[1]。采用本发明的热处理制度，会使铸态Fe₃Al基金属间化合物合金获得弯曲晶界，将有利于抑制晶界楔形裂纹萌生，提高裂纹扩展抗力，阻止裂纹连接，从而改善持久性能。