一种近共晶B2-Ni(Al,Ti)和L12-Ni3(Al,Ti)金属间化合物高温合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高温合金技术领域，具体涉及到一种近共晶B2-Ni(Al,Ti)和L1

背景技术

Ni基高温合金是一类在航空航天发动机和高温锅炉管道等高温环境下广泛应用的结构材料，其具有卓越的高温强度、塑性、热稳定性以及不发生相变等优势。随着航空航天发动机的不断更新换代，对高温合金的承温能力提出了更高的要求，这也使得材料的高温力学性能变得越发苛刻。

然而，现有的高温合金已经接近其熔点温度，无法进一步提高承温能力。因此，迫切需要开发一种新型高温合金，该合金具有更高的服役温度、轻质、低成本以及优异的铸造和加工性能。有序金属间化合物作为新一代高温材料，展现了广阔的应用前景。这些化合物以金属与金属或金属与类金属元素为主要组元，形成中间相化合物。其原子排列有序，同时存在金属键与共价键，这使得金属间化合物兼具了金属的塑性和陶瓷的高温强度。

相较于传统的无序固溶体合金，金属间化合物具有更优异的热稳定性、更低的密度和更高的硬度，并在一定程度上具备室温加工能力。这些优点使得金属间化合物成为具有广泛应用潜力的高温材料。在众多金属间化合物中，Ni-Al系、Fe-Al系和Ti-Al系是典型的体系。其中，Ni-Al系金属间化合物是高温结构材料中研究最为热门的系列。例如，Ni

特别值得关注的是Ni

但是，Ni

一种改善NiAl合金室温塑性和强度的方法是通过合金化，尤其是添加Cr和Fe元素。这样可以使NiAl合金具有超塑性。此外，适量添加稀土元素Sc、Y、Ce、Nd、Dy、Ho和Gd等也可以改善NiAl的室温塑性和强度。同时，添加Hf、Nb、Ti等元素可以在一定程度上提高合金的高温强度。对于Ni

然而，通过合金化来改善Ni

为此，提出一种近共晶B2-Ni(Al,Ti)和L1

发明内容

鉴于此，本发明实施例希望提供一种高温合金及其制备方法，针对现有Ni

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面

一种近共晶B2-Ni(Al,Ti)和L1

该高温合金是一种B2-Ni(Al,Ti)和L1

目前，Ni

为了克服这些局限性，研究人员在Ni-Al二元体系中添加了Ti元素，并发现通过合适的Ti含量，可以同时析出Ni

所得到的近共晶金属间化合物合金具有良好的铸造性能，其成本和密度均低于现有的Ni基高温合金。因此，该合金有望成为航空航天发动机等高温结构部件的新型材料。

其原理为，B2-Ni(Al,Ti)和L1

为了实现这一技术方案，研究人员采用了JmatPro热力学计算软件和实验相结合的手段，通过合理匹配Ni-Al-Ti三元合金中各组元的含量，成功得到了B2-Ni(Al,Ti)和L1

这种新型高温合金的研发为航空航天领域提供了一种具有潜力的材料解决方案。其优异的高温性能和较低的成本将有助于提高航空航天发动机的性能和可靠性，并推动整个高温结构材料领域的进步。通过不断结合理论计算和实验研究，我们可以进一步优化合金设计，探索更多新型高温合金的应用潜力。这将有助于满足航空航天等领域对高温材料的不断增长的需求，推动航空航天技术的不断发展和创新。

第二方面

一种近共晶B2-Ni(Al,Ti)和L1

S1：准备原材料。选取高纯度的Ni、Al、Ti单质，其纯度达到99.95％以上，以保证制备合金的高质量。

S2：成分配比。根据所需合金的组成，按照元素质量百分比进行准确的成分配比。在此例中，合金成分的原子百分比为(at.％):Al：19.0-25.0，Ti：6.0-15.0，Ni：余量。

S3：熔炼过程。采用非自耗真空电弧熔炼炉，在惰性气体(如Ar气)的保护下，对事先准备好的配比混合物进行至少五次的熔炼。这样的真空条件可以有效避免材料在高温下与空气中的氧发生反应，保证合金的高纯度和化学稳定性。

S4：得到合金锭。熔炼完成后，获得了高温合金的合金锭。这个合金锭具有相应的成分和晶体结构。

S5：快冷吸铸。为了获得均匀细小的晶粒结构和优良的力学性能，使用铜模快冷吸铸技术对合金锭进行成型。该过程通过迅速将合金锭冷却并与铜模接触，实现合金的快速凝固和固态化。这有助于减少晶界的扩散和晶粒的长大，从而提高合金的强度和塑性。

经过以上步骤，便成功制备出了Ni-Al-Ti近共晶金属间化合物高温合金。这种制备方法采用了高纯度原材料和精密配比，结合非自耗真空电弧熔炼和快冷吸铸技术，确保了合金的高质量和性能稳定性。该高温合金具有广泛的应用前景，特别适用于航空航天发动机等高温结构部件，将为高温材料领域的发展和进步带来重要贡献。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)优异的力学性能：本发明合金在室温及高温下均表现出卓越的屈服强度和比屈服强度。同时，其高硬度赋予了合金突出的承温能力和良好的耐磨性。这使得该合金在极端高温和高应力环境下表现出优异的稳定性和耐久性，适用于高温结构材料的要求。

(2)简单的成分配比：本发明合金的成分仅包含Ni、Al、Ti三种元素，避免了复杂的配比和成分控制，降低了生产成本和制备难度。同时，不添加Mo、Nb、Ta、Re和Ru等元素，使得该合金的密度和成本远低于现有的Ni基高温合金，为高温材料的商业化应用提供了更经济有效的解决方案。

(3)共晶结构的优越性：本发明合金属于共晶合金范畴，具有优异的铸造能力。在铸造过程中，该合金能够一次成型，减少了多次加工的步骤，克服了传统高温合金难以加工和成型的问题。这显著降低了合金的制备成本和生产周期。

(4)大规模商业化应用潜力：本发明合金综合了优异的高温强度、低成本、低密度和良好的成型能力等特点，这使得它在航空航天领域具有潜在的大规模商业化应用前景。该合金的优越性能将为航空航天发动机等高温部件的设计和制造带来重大突破，推动航空航天技术的发展和创新。

(5)综合上述优点和有益效果，本发明合金在高温材料领域具有重要的意义。其卓越的力学性能、简化的成分配比、共晶结构的优越性和商业化应用潜力将为高温结构材料领域带来新的发展方向和机遇。随着科学技术的不断进步，该合金的性能和制备工艺还有望不断得到进一步优化和提升，为航空航天等领域的发展贡献更多的创新和进步。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1采用JmatPro软件计算的实施例合金的平衡相图；

图2实施例一和二的合金的铸态组织形貌图；

图3实施例一合金在不同温度下的压缩力学性能曲线；

图4实施例一合金与其它金属间化合物合金的室温压缩力学性能对比图；

图5实施例一合金与其它高温合金的高温压缩力学性能对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制；

在现有技术中，通过合金化改善Ni

请参阅图1：热力学计算：为了确定Ni-Al-Ti三元合金的适宜成分范围，采用了JmatPro热力学软件进行相图计算。在计算过程中，着重筛选出在高温条件下(800℃以上)具有共晶组织的合金成分。通过分析相图计算结果，确定了Al和Ti的成分范围，以实现共晶组织形成。

在本具体实施方式中，合金制备：本实验使用了高纯度的Ni、Al、Ti单质，其纯度达到99.95％以上，以确保制备出高质量的合金。在成分配比方面，根据前述确定的Al和Ti的成分范围，按照元素质量百分比进行准确的配比；具体的，成分配比是根据合金中Ni、Al和Ti三种元素的含量来确定的。根据前述的热力学计算和相图分析，确定了Ni-Al-Ti三元合金中Al和Ti的成分范围，即Al：19.0-25.0，Ti：6.0-15.0，Ni：余量。按照元素质量百分比进行准确的配比，意味着要精确控制每个元素的含量，以确保合金中每种元素的含量都在规定的范围内。为了实现这一目标，通常会使用准确称量的高纯度原料，例如99.95％以上纯度的Ni、Al和Ti单质。

示例性的，其成分要求为：Al：22.5％，Ti：9.0％，Ni：余量。在配比过程中，首先根据合金总重量计算出各元素所占的质量。假设合金总原子质量为100克，则Al的原子质量为22.5克，Ti的原子质量为9.0克，而Ni的原子质量则是剩余的，即100克减去Al和Ti的质量，即100克-22.5克-9.0克＝68.5克。然后，根据所使用的高纯度Ni、Al和Ti单质的密度，计算出对应的体积，再根据配比将相应的量放入混合容器中，进行充分搅拌，确保三种元素均匀混合。在配比完成后，可以进行下一步的熔炼和铸造步骤，以制备出高质量的Ni-Al-Ti三元合金。通过精确的成分配比，可以获得合金中所需的Al和Ti含量范围，从而控制合金的组织结构和性能，满足高温应用领域对材料性能的要求。

在本具体实施方式中，制备过程采用了非自耗真空电弧熔炼炉，以Ar气进行保护，对配比的混合物进行多次熔炼。这样的制备条件有助于避免材料与空气中的氧发生反应，保证合金的高纯度和化学稳定性。通过多次熔炼，确保了合金成分的均匀性和稳定性，从而获得质量约为15g的合金锭。

在本具体实施方式中，为了进一步优化合金的晶体结构和力学性能，合金锭采用铜模快冷吸铸的方式进行加工。在这个过程中，将合金锭迅速冷却，并与铜模接触，实现合金的快速凝固和固态化。这样的加工方式有利于获得均匀细小的晶粒结构，提高合金的强度和塑性。最终，制备出直径为6mm的合金棒，用于后续高温力学性能和成型能力的测试和研究。

在本具体实施方式中，通过精确的热力学计算和先进的合金制备技术，本研究成功开发了Ni-Al-Ti三元合金，为新型高温合金的设计和应用提供了重要的实验基础。这种综合性能优异的金属间化合物新型高温合金有望在航空航天领域实现重要的应用，并为高温材料研究领域带来新的突破和进展。

具体的，用高纯度的Ni、Al、Ti单质是为了确保制备出高质量的合金，这是因为在高温合金的制备过程中，材料的纯度对最终合金的性能和稳定性有着重要的影响。高纯度的原材料可以显著减少杂质元素的含量，这些杂质元素可能对合金的晶体结构和力学性能产生负面影响。杂质元素的存在可能导致晶界的弱化、相分离、晶粒长大等现象，从而降低合金的强度、塑性和高温稳定性。高纯度的原材料可以降低合金在高温环境中与空气中的氧、氮、水蒸气等反应的可能性。这些氧化反应可能导致氧化层的形成，进而导致合金的氧化、腐蚀等问题，影响合金的性能和寿命。高纯度的原材料有助于确保合金成分的均匀性。在合金制备过程中，材料的不均匀性可能导致相分离、偏析等问题，从而影响合金的力学性能和热稳定性。高纯度的原材料可以改善合金的熔融性能，降低熔点和液相区的宽度。这有助于在合金制备过程中更好地控制熔融和凝固过程，获得更细小的晶粒结构，提高合金的力学性能。

以上所述具体实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述具体实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

实施例一：Ni-19Al-15Ti(at.％)合金：

为使本发明的上述具体实施方式更加明显易懂，接下来将采用实施例的形式对本发明做详细的应用性的说明。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的实施例的限制。

为了验证采用的成分设计方法的有效性，并评估设计合金的力学性能，本实施例对所制备的合金进行了金相显微镜(OM)或扫描电子显微镜(SEM)组织观察，并进行了室温及高温压缩力学性能测试，同时与现有的单晶金属间化合物和难熔高温高熵合金进行了对比。结果如附图2-5所示。

从附图2的OM结果可以观察到，所制备的合金主要由L1

具体的，所制备的合金中主要包含B2-Ni(Al,Ti)和L1

根据附图3中的合金压缩力学性能结果，在室温下，制备合金的抗拉强度可达到～3GPa，塑性可达10％。与现有的NiAl、TiAl、Fe

尽管随着温度的升高，合金的晶体结构可能会发生变化，例如相变、晶界扩散等，从而导致材料的力学性能发生变化，合金的屈服强度逐渐降低，但本实施例设计的合金在800℃时仍具有高达～800MPa的屈服强度，1000℃时屈服强度仍可保持在570MPa。结合本实施例所设计的合金密度仅为7g/cm

具体的，本实施例设计的合金在800℃和1000℃时仍然保持较高的屈服强度，这可能与合金中的稳定相有关。稳定相是指在高温下具有较好稳定性的晶体相，其形成和稳定性与合金成分和合金化处理有关。合金在高温下能保持较高屈服强度，可能是由于合金中的稳定相在高温环境下不易发生相变或退火导致强度降低

可以理解的是，在本实施例中，本实施例所设计的合金具有较低的密度，仅为7g/cm

进一步的，与传统的Ni基高温合金如Haynes 230和Inconel 718相比，本实施例所设计的合金表现出显著优势。这些传统合金的屈服强度在高温下可能较低，或者在较高温度下存在力学性能下降的问题。而本实施例的合金在高温下依然保持较高的屈服强度，这说明所采用的合金设计方法和合金成分具有优异的性能优势。

进一步的，本实施例成功设计制备了具有优异力学性能的Ni-Al-Ti三元合金。该合金在室温下表现出优越的强度和塑性，且在高温下仍保持较高的屈服强度和比屈服强度。这种合金具有潜在的应用前景，可用于航空航天等高温领域，取代传统的高温合金，同时也显示出比许多高熵合金更优异的性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的相关实际应用的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

实施例二：Ni-22Al-7Ti(at.％)合金和Ni-25Al-6Ti(at.％)合金：

为使本发明的上述具体实施方式更加明显易懂，接下来将采用实施例的形式对本发明做详细的应用性的说明。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的实施例的限制。

实施例2中采用的合金制备方法与实施例1相同，采用高纯度的Ni、Al、Ti单质按元素质量百分比进行准确的配比。通过非自耗真空电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，得到成分均匀的质量约为15g的合金锭，并采用铜模快冷的方式吸铸成直径为6mm的合金棒。

在实施例2中，所制备的合金的组织形貌如图2所示，表现出L1

具体的，这种双相共晶组织是合金中两种不同晶体相在共同的温度下共同凝固形成的。在合金的凝固过程中，先析出的L1

可以理解的是，在本实施例中，实施例2中所制备的Ni-22Al-7Ti(at.％)合金和Ni-25Al-6Ti(at.％)合金的双相共晶组织结构是通过合金设计和制备方法的有效控制而实现的。这种共晶组织使得合金在高温条件下具有优异的力学性能、热稳定性和成形能力，为航空航天领域等高温应用提供了一种有前景的新型高温合金。

具体的，采用了先进的热力学计算软件JmatPro来预测Ni-Al-Ti三元体系的相图，从中筛选出在800℃以上温度下具有共晶组织的合金成分范围。根据计算结果，确定了合金中Al和Ti的成分配比，即Ni-22Al-7Ti和Ni-25Al-6Ti，使得两相能够在共同的温度下达到共晶平衡。通过非自耗真空电弧熔炼炉，在Ar气保护下，采用高纯度的Ni、Al、Ti单质按元素质量百分比进行准确的配比，确保了合金中元素成分的精确控制。在熔炼过程中进行多次熔炼，以确保合金中的元素均匀分布，并得到成分均匀的合金锭。通过金相显微镜或者扫描电子显微镜(SEM)观察合金的组织形貌，发现所制备的合金表现出B2-Ni(Al,Ti)和L1

可以理解的是，在本实施例中，本发明提出的Ni-22Al-7Ti(at.％)合金和Ni-25Al-6Ti(at.％)合金是一种B2-Ni(Al,Ti)和L1

(1)高温强度：这两种合金中的L1

(2)低成本：这两种合金的成分简单，仅含有Ni、Al、Ti三种元素，并且不添加其他昂贵的合金元素，如Mo、Nb、Ta、Re和Ru等。由于合金中的合金元素成本较低，使得这两种合金的制备成本相对较低，比传统的高温合金如Haynes230和Inconel718等更具经济性。

(3)低密度：这两种合金的密度较低，仅为7g/cm

(4)良好的成型能力：双相共晶组织的形成使得合金具有较好的铸造性能。这使得合金可以一次成型，避免了复杂的热处理和加工过程。同时，共晶组织的结构有利于晶体细化和均匀化，从而提高了合金的塑性和成形能力。良好的成型性使得这两种合金适用于复杂形状和高要求的零部件制造，有助于降低制备成本和提高生产效率。

(5)这两种合金通过合金设计和双相共晶组织的形成，实现了优异的高温强度、低成本、低密度和良好的成型能力。这些特点使得这两种合金在航空航天领域等高温应用中具有广阔的应用前景，为高温结构部件的研制和制造提供了一种新的选择。

具体的，B2-Ni(Al,Ti)和L1

以上所述实施例仅表达了本发明的相关实际应用的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。