本發明涉及一種fe-mn-al系合金的(de)制(zhi)備(bei)方法(fa)，屬于輕(qing)質(zhi)高強合金制(zhi)備(bei)技術領域。

背景技術：

fe-mn-al合金(jin)具有(you)較高(gao)的(de)強度(du)、比(bi)重(zhong)輕(qing)，同時有(you)很好的(de)耐腐(fu)蝕性(xing)(xing)能、高(gao)溫抗(kang)(kang)氧化(hua)性(xing)(xing)能、高(gao)電阻、低(di)電導率，及價格(ge)低(di)廉(lian)等顯著(zhu)特點，是很有(you)發(fa)展前途(tu)的(de)高(gao)溫結構材料(liao)。目前，作(zuo)為(wei)高(gao)溫結構材料(liao)的(de)有(you)序金(jin)屬(shu)間(jian)化(hua)合物(wu)，國內(nei)外重(zhong)點研究并取得重(zhong)大(da)進(jin)展的(de)主要為(wei)ni-al系(xi)、ti-al系(xi)和(he)fe-al系(xi)的(de)a3b個ab型鋁化(hua)物(wu)。fe-al系(xi)金(jin)屬(shu)間(jian)化(hua)合物(wu)，由于不(bu)含戰略(lve)元素(su)，成本低(di)，具有(you)優異的(de)抗(kang)(kang)氧化(hua)性(xing)(xing)、抗(kang)(kang)腐(fu)蝕性(xing)(xing)和(he)較高(gao)的(de)高(gao)溫強度(du)。單一的(de)fe-al合金(jin)材料(liao)強度(du)較低(di)，脆性(xing)(xing)較大(da)。在fe-al系(xi)金(jin)屬(shu)間(jian)化(hua)合物(wu)的(de)基礎上添加mn元素(su)，將會生成do3([fe、mn]3al)、b2([fe、mn]al)有(you)序相，從而顯著(zhu)提高(gao)合金(jin)的(de)強度(du)和(he)綜合力(li)學性(xing)(xing)能。

在fe-mn-al合金制備方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)中，熔(rong)鑄法(fa)(fa)(fa)和(he)(he)粉末(mo)(mo)冶(ye)(ye)金法(fa)(fa)(fa)是(shi)(shi)比較(jiao)常(chang)見的制備方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)。傳(chuan)統的熔(rong)鑄方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)是(shi)(shi)將(jiang)原料(liao)通(tong)(tong)(tong)過(guo)真空(kong)感應熔(rong)煉或真空(kong)電弧熔(rong)煉的方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)進行(xing)熔(rong)煉，然(ran)后通(tong)(tong)(tong)過(guo)細化晶粒或相關熱處理工藝(yi)來(lai)改(gai)善質量與性能(neng)(neng)(neng)，該法(fa)(fa)(fa)的原料(liao)一(yi)(yi)般(ban)為純金屬(shu)錠。缺點是(shi)(shi)液態金屬(shu)間(jian)化合物(wu)的流動(dong)性較(jiao)差，凝固時補縮(suo)困難(nan)，容易產(chan)生縮(suo)孔或縮(suo)松(song)，產(chan)生微裂紋，使鑄件性能(neng)(neng)(neng)降(jiang)低。粉末(mo)(mo)冶(ye)(ye)金法(fa)(fa)(fa)是(shi)(shi)將(jiang)金屬(shu)粉末(mo)(mo)按照(zhao)一(yi)(yi)定(ding)比例(li)配比，通(tong)(tong)(tong)過(guo)真空(kong)球磨是(shi)(shi)粉末(mo)(mo)混合均勻，將(jiang)粉末(mo)(mo)壓制成(cheng)胚料(liao)，然(ran)后在燒結(jie)設備中進行(xing)真空(kong)燒結(jie)。該法(fa)(fa)(fa)的原料(liao)一(yi)(yi)般(ban)為高純金屬(shu)粉末(mo)(mo)。該法(fa)(fa)(fa)的缺點是(shi)(shi)成(cheng)本高，難(nan)以獲(huo)得(de)高的致密(mi)度(du)(du)，從而顯著(zhu)影(ying)響材料(liao)的強度(du)(du)、塑(su)性和(he)(he)綜合力學性能(neng)(neng)(neng)。另(ling)外，升(sheng)溫速率和(he)(he)燒結(jie)溫度(du)(du)對材料(liao)組織和(he)(he)成(cheng)分(fen)有較(jiao)大(da)影(ying)響，工藝(yi)較(jiao)為復雜。

技術實現要素：

本發明的(de)目的(de)在于提供一(yi)種fe-mn-al系(xi)合金的(de)制(zhi)備方法，具體(ti)包括以(yi)下(xia)步驟：

（1）將(jiang)錳粉、鋁粉和鐵粉按質量分數為al12.0-14.0%、mn18.0-30.0%、其(qi)余為fe的比例(li)混合均(jun)勻(yun)；

（2）將步驟（1）得(de)到的混合粉(fen)末(mo)進(jin)行壓(ya)片，然后在氬氣保護下進(jin)行熔(rong)煉，熔(rong)煉過程中不(bu)斷對(dui)熔(rong)體進(jin)行攪拌，當合金熔(rong)體溫度達(da)到1520-1550℃時，采用水冷銅模澆鑄樣品；

（3）步驟（2）中(zhong)得到的樣品在(zai)(zai)氬(ya)氣保(bao)護(hu)下(xia)，在(zai)(zai)1000℃保(bao)溫2-3小時，然后油(you)冷淬(cui)火(huo)(huo)，經油(you)冷淬(cui)火(huo)(huo)后的合金(jin)繼續在(zai)(zai)氬(ya)氣氛(fen)圍下(xia)加熱至(zhi)550-650℃進行回火(huo)(huo)處理，保(bao)溫2-4小時后隨爐冷卻至(zhi)室溫，得到fe-mn-al輕(qing)質(zhi)高強合金(jin)。

優選的，本發明所(suo)述錳(meng)粉、鋁粉和(he)鐵粉的純(chun)度均≥99.99%，粒徑為(wei)300~400目。

優選的(de)，本發明所(suo)述錳(meng)粉、鋁粉和鐵粉進行球(qiu)磨混合，球(qiu)料(liao)比為10:1~15:1，球(qiu)磨時間不少于4小時。

優選的，本發明所述水冷銅模澆鑄的冷卻速率為5ks^-1~10ks^-1。

本發明的有益(yi)效(xiao)果是：

（1）本發明制備的fe-mn-al輕質高強合金宏觀硬度達到45hrc以上，抗拉強度達到949mpa以上，密度可以達到6.50g/cm³。

（2）考慮到al元素(su)相(xiang)對密(mi)度較低(di)，降低(di)了(le)合(he)(he)金(jin)密(mi)度，本發明al含量控制在12.0-14.0%；錳作為主要(yao)合(he)(he)金(jin)元素(su)加入，一方面在基體(ti)中產(chan)生(sheng)了(le)明顯(xian)的固溶(rong)強(qiang)化(hua)，另一方面al會與基體(ti)fe-al合(he)(he)金(jin)形成do3([fe、mn]3al)、b2([fe、mn]al)有(you)序相(xiang)，產(chan)生(sheng)明顯(xian)的固溶(rong)強(qiang)化(hua)。

（3）本(ben)發明所述方法(fa)相(xiang)對簡單，可靠，制(zhi)備的fe-mn-al合(he)金強度高、質量輕、抗氧化性(xing)(xing)能和抗腐蝕性(xing)(xing)能較(jiao)好，因而在航空航天(tian)工業、汽車工業、航海器(qi)件和能源(yuan)轉換(huan)系統等(deng)方面有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖(tu)1是(shi)實施例1鑄態(tai)的fe-mn-al高強輕質(zhi)合(he)金(jin)的微觀組織圖(tu)；

圖2是實施例(li)1熱處理后的(de)fe-mn-al高強輕質合(he)金的(de)微觀組(zu)織圖；

圖3本發明的工藝流程(cheng)圖。

具體實施方式

下面(mian)結合附圖(tu)和(he)具體實施例對(dui)本發明(ming)(ming)作進一(yi)步詳(xiang)細說明(ming)(ming)，但本發明(ming)(ming)的保護范圍并(bing)不限于所述(shu)內容。

實施例1

一(yi)種fe-mn-al系高強輕質合金的制備方法(fa)，具(ju)體包(bao)括(kuo)以下步(bu)驟：

（1）首先將純度(du)為99.99%，目(mu)數為300目(mu)的(de)錳粉(fen)(fen)、鋁粉(fen)(fen)和鐵粉(fen)(fen)按照一定的(de)質量(liang)百分比進行稱量(liang)配料(liao)(liao)，其質量(liang)分數為：30%mn、14.0%al，其余為fe；將粉(fen)(fen)末放到球(qiu)磨罐中用行星式球(qiu)磨機混料(liao)(liao)，球(qiu)料(liao)(liao)比為12:1，球(qiu)磨時間為4小時。

（2）將步驟（1）得到的混和粉末取出，在壓片機下進行壓片，其中壓力為10mpa，得到φ15×3的金屬片，放到真空電弧熔煉爐的銅坩堝中，在氬氣保護氣氛下進行熔煉，同時連續的通過電磁攪拌對熔體進行處理，使熔體完全均勻化，同時細化析出相和基體組織，當合金熔體溫度達到1550℃時，采用水冷銅模澆鑄樣品，水冷銅模澆鑄的冷卻速率為5ks^-1。

（3）將步驟（2）澆鑄得到(dao)的樣品在氬氣(qi)氛圍下，在1000℃保(bao)溫(wen)3小時，然后油冷淬(cui)火，經油冷淬(cui)火后的合金繼續在氬氣(qi)氛圍下加(jia)熱至550℃進行回火處理，保(bao)溫(wen)4小時后隨(sui)爐(lu)冷卻(que)至室溫(wen)，得到(dao)fe-mn-al輕質高(gao)強合金。

本實(shi)施例制(zhi)備得到的fe-mn-al合金的do3([fe、mn]3al)、b2([fe、mn]al)有(you)序(xu)相(xiang)分(fen)布于(yu)晶界(jie)間如(ru)圖1所(suo)示(shi)，固溶(rong)熱處理后(hou)其有(you)序(xu)相(xiang)固溶(rong)到晶粒內如(ru)圖2所(suo)示(shi)。

實施例2

一種fe-mn-al系高強(qiang)輕質合金的制備方(fang)法，具體(ti)包括以下步(bu)驟(zou)：

（1）首先將純度為(wei)99.99%，目數(shu)為(wei)300目的(de)錳粉(fen)(fen)、鋁粉(fen)(fen)和高純鐵粉(fen)(fen)按照一定的(de)質量百分比進(jin)行稱量配料，其(qi)質量分數(shu)為(wei)：24.0%mn、13.0%al，其(qi)余為(wei)fe；將粉(fen)(fen)末(mo)放到球磨罐中用行星式球磨機混(hun)料，球料比為(wei)10:1，球磨時間(jian)為(wei)4小時。

（2）將步驟（1）得到的混和粉末取出，在壓片機下進行壓片，其中壓力為10mpa，得到φ15×3的金屬片，放到真空電弧熔煉爐的銅坩堝中，在氬氣保護氣氛下進行熔煉，同時連續的通過電磁攪拌對熔體進行處理，使熔體完全均勻化，同時細化析出相和基體組織，當合金熔體溫度達到1530℃時，采用水冷銅模澆鑄樣品，水冷銅模澆鑄的冷卻速率為7ks^-1。

（3）、將步驟（2）澆鑄得到的樣品在(zai)氬氣氛圍(wei)下(xia)，在(zai)1000℃保(bao)(bao)溫2.5小時(shi)，然后油冷淬火(huo)，經油冷淬火(huo)后的合(he)(he)金(jin)繼續在(zai)氬氣氛圍(wei)下(xia)加熱至600℃進行回火(huo)處理(li)，保(bao)(bao)溫3小時(shi)后隨爐冷卻至室(shi)溫，得到fe-mn-al輕質高強(qiang)合(he)(he)金(jin)。

實施例3

一種(zhong)fe-mn-al系高強輕質合金(jin)的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）首先(xian)將純度(du)為99.99%，目(mu)數為300目(mu)的錳粉、鋁(lv)粉和(he)高純鐵粉按照(zhao)一(yi)定的質(zhi)量百分比進行稱量配料(liao)，其(qi)質(zhi)量分數為：18%mn、12%al，其(qi)余為fe；將粉末放(fang)到球(qiu)(qiu)(qiu)磨罐中用行星式球(qiu)(qiu)(qiu)磨機混料(liao)，球(qiu)(qiu)(qiu)料(liao)比為15:1，球(qiu)(qiu)(qiu)磨時間為4小時。

（2）將步驟（1）得到的混和粉末取出，在壓片機下進行壓片，其中壓力為10mpa，得到φ15×3的金屬片，放到真空電弧熔煉爐的銅坩堝中，在氬氣保護氣氛下進行熔煉，同時連續的通過電磁攪拌對熔體進行處理，使熔體完全均勻化，同時細化析出相和基體組織，當合金熔體溫度達到1520℃時，采用水冷銅模澆鑄樣品，水冷銅模澆鑄的冷卻速率為10ks^-1。

（3）將步驟（2）澆鑄得(de)到的樣品(pin)在(zai)氬(ya)氣(qi)氛圍(wei)(wei)下(xia)，在(zai)1000℃保溫2小(xiao)時，然后(hou)油(you)(you)冷淬(cui)火(huo)，經油(you)(you)冷淬(cui)火(huo)后(hou)的合金繼續在(zai)氬(ya)氣(qi)氛圍(wei)(wei)下(xia)加熱至(zhi)650℃進行回火(huo)處理，保溫2小(xiao)時后(hou)隨(sui)爐冷卻(que)至(zhi)室溫，得(de)到fe-mn-al輕質(zhi)高強(qiang)合金。

表1本(ben)發明(ming)實施例1~3制備(bei)得(de)到(dao)的fe-mn-al合金的性能

上面(mian)結合(he)了實(shi)施例對本(ben)發(fa)明(ming)(ming)進(jin)行了說明(ming)(ming)，但本(ben)發(fa)明(ming)(ming)不(bu)(bu)限(xian)于上述(shu)實(shi)施例，還可(ke)以根據本(ben)發(fa)明(ming)(ming)的(de)(de)發(fa)明(ming)(ming)創造(zao)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)做(zuo)出(chu)多種(zhong)變化，凡依據本(ben)發(fa)明(ming)(ming)技(ji)術(shu)方的(de)(de)案(an)意識和(he)原理下(xia)做(zuo)的(de)(de)改變、修(xiu)飾、替代、組(zu)合(he)和(he)簡化，均(jun)應為等效(xiao)的(de)(de)置換方式，只(zhi)要符合(he)本(ben)發(fa)明(ming)(ming)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)，只(zhi)要不(bu)(bu)背離本(ben)發(fa)明(ming)(ming)fe-mn-al合(he)金的(de)(de)制備方法的(de)(de)技(ji)術(shu)原理和(he)發(fa)明(ming)(ming)構思，都屬于本(ben)發(fa)明(ming)(ming)的(de)(de)保護范圍。