一種Fe?Mn?Al系合金的制備方法與流程

本發明涉及一種fe-mn-al系合金的制備方法，屬于輕質高強合金制備技術領域。

背景技術：

fe-mn-al合金具有較高的強度、比重輕，同時有很好的耐腐蝕性能、高溫抗氧化性能、高電阻、低電導率，及價格低廉等顯著特點，是很有發展前途的高溫結構材料。目前，作為高溫結構材料的有序金屬間化合物，國內外重點研究并取得重大進展的主要為ni-al系、ti-al系和fe-al系的a3b個ab型鋁化物。fe-al系金屬間化合物，由于不含戰略元素，成本低，具有優異的抗氧化性、抗腐蝕性和較高的高溫強度。單一的fe-al合金材料強度較低，脆性較大。在fe-al系金屬間化合物的基礎上添加mn元素，將會生成do3([fe、mn]3al)、b2([fe、mn]al)有序相，從而顯著提高合金的強度和綜合力學性能。

在fe-mn-al合金制備方法中，熔鑄法和粉末冶金法是比較常見的制備方法。傳統的熔鑄方法是將原料通過真空感應熔煉或真空電弧熔煉的方法進行熔煉，然后通過細化晶粒或相關熱處理工藝來改善質量與性能，該法的原料一般為純金屬錠。缺點是液態金屬間化合物的流動性較差，凝固時補縮困難，容易產生縮孔或縮松，產生微裂紋，使鑄件性能降低。粉末冶金法是將金屬粉末按照一定比例配比，通過真空球磨是粉末混合均勻，將粉末壓制成胚料，然后在燒結設備中進行真空燒結。該法的原料一般為高純金屬粉末。該法的缺點是成本高，難以獲得高的致密度，從而顯著影響材料的強度、塑性和綜合力學性能。另外，升溫速率和燒結溫度對材料組織和成分有較大影響，工藝較為復雜。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種fe-mn-al系合金的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）將錳粉、鋁粉和鐵粉按質量分數為al12.0-14.0%、mn18.0-30.0%、其余為fe的比例混合均勻；

（2）將步驟（1）得到的混合粉末進行壓片，然后在氬氣保護下進行熔煉，熔煉過程中不斷對熔體進行攪拌，當合金熔體溫度達到1520-1550℃時，采用水冷銅模澆鑄樣品；

（3）步驟（2）中得到的樣品在氬氣保護下，在1000℃保溫2-3小時，然后油冷淬火，經油冷淬火后的合金繼續在氬氣氛圍下加熱至550-650℃進行回火處理，保溫2-4小時后隨爐冷卻至室溫，得到fe-mn-al輕質高強合金。

優選的，本發明所述錳粉、鋁粉和鐵粉的純度均≥99.99%，粒徑為300~400目。

優選的，本發明所述錳粉、鋁粉和鐵粉進行球磨混合，球料比為10:1~15:1，球磨時間不少于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。

本發明的有益效果是：

（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元素相對密度較低，降低了合金密度，本發明al含量控制在12.0-14.0%；錳作為主要合金元素加入，一方面在基體中產生了明顯的固溶強化，另一方面al會與基體fe-al合金形成do3([fe、mn]3al)、b2([fe、mn]al)有序相，產生明顯的固溶強化。

（3）本發明所述方法相對簡單，可靠，制備的fe-mn-al合金強度高、質量輕、抗氧化性能和抗腐蝕性能較好，因而在航空航天工業、汽車工業、航海器件和能源轉換系統等方面有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是實施例1鑄態的fe-mn-al高強輕質合金的微觀組織圖；

圖2是實施例1熱處理后的fe-mn-al高強輕質合金的微觀組織圖；

圖3本發明的工藝流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護范圍并不限于所述內容。

實施例1

一種fe-mn-al系高強輕質合金的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）首先將純度為99.99%，目數為300目的錳粉、鋁粉和鐵粉按照一定的質量百分比進行稱量配料，其質量分數為：30%mn、14.0%al，其余為fe；將粉末放到球磨罐中用行星式球磨機混料，球料比為12:1，球磨時間為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）澆鑄得到的樣品在氬氣氛圍下，在1000℃保溫3小時，然后油冷淬火，經油冷淬火后的合金繼續在氬氣氛圍下加熱至550℃進行回火處理，保溫4小時后隨爐冷卻至室溫，得到fe-mn-al輕質高強合金。

本實施例制備得到的fe-mn-al合金的do3([fe、mn]3al)、b2([fe、mn]al)有序相分布于晶界間如圖1所示，固溶熱處理后其有序相固溶到晶粒內如圖2所示。

實施例2

一種fe-mn-al系高強輕質合金的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）首先將純度為99.99%，目數為300目的錳粉、鋁粉和高純鐵粉按照一定的質量百分比進行稱量配料，其質量分數為：24.0%mn、13.0%al，其余為fe；將粉末放到球磨罐中用行星式球磨機混料，球料比為10:1，球磨時間為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）澆鑄得到的樣品在氬氣氛圍下，在1000℃保溫2.5小時，然后油冷淬火，經油冷淬火后的合金繼續在氬氣氛圍下加熱至600℃進行回火處理，保溫3小時后隨爐冷卻至室溫，得到fe-mn-al輕質高強合金。

實施例3

一種fe-mn-al系高強輕質合金的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）首先將純度為99.99%，目數為300目的錳粉、鋁粉和高純鐵粉按照一定的質量百分比進行稱量配料，其質量分數為：18%mn、12%al，其余為fe；將粉末放到球磨罐中用行星式球磨機混料，球料比為15:1，球磨時間為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）澆鑄得到的樣品在氬氣氛圍下，在1000℃保溫2小時，然后油冷淬火，經油冷淬火后的合金繼續在氬氣氛圍下加熱至650℃進行回火處理，保溫2小時后隨爐冷卻至室溫，得到fe-mn-al輕質高強合金。

表1本發明實施例1~3制備得到的fe-mn-al合金的性能

上面結合了實施例對本發明進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方的案意識和原理下做的改變、修飾、替代、組合和簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的目的，只要不背離本發明fe-mn-al合金的制備方法的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。