[发明专利]镍－铝金属间化合物基合金及其应用

说明书

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。