用于阀座嵌件的镍铌金属间合金的制作方法

用于阀座嵌件的镍铌金属间合金


背景技术：

1.许多引擎部件需要具有高温耐磨性、耐腐蚀性和抗热震性，如阀座嵌件(vsi)、阀、阀导管、涡轮衬套和涡轮轴。通常，马氏体工具钢、初次碳化物强化镍(例如j96)或钴基合金(j6)以及部分金属间基体(j10)用于这些应用。


技术实现要素：

2.本发明公开了一种镍铌金属间合金，其含有以重量百分比计约1.5％至约3.5％的硅；5％至约15％的铬；约45％至约75％的镍；约14％至约30％的铌；至多约7％的钴；以及至多约10％的铁；其中镍加铌的含量为约70％至约90％，硅、铬、钴和铁的总含量为约10％至约30％。
3.根据各种可选的实施方案，合金可含有至多3％的总其他元素和无法避免或偶然的杂质，包括碳、锰、磷、硫、铜、氮、氧、硼、钨、钼、钒、钽、钛、铪、锆、铍、铋、铝、钙、铅、硒、钇、稀土金属。
4.在一个实施方案中，该合金可基本上由约1.75％至约3％的硅、约7％至约15％的铬、至多约6.5％的钴、约0.05％至约10％的铁、约14％至约29％的铌、约48％至约73％的镍组成，以及余量至多3％的其他元素和偶然或无法避免的杂质。在一个实施方案中，可以添加镍、钴、铌和铬，使得镍加钴与铌加铬的比率为约1.5至约3。
5.在一个实施方案中，可用于内燃机的阀座嵌件可由上述合金制成。例如，由该合金制成的铸件(例如铸造阀座插件)和该合金可以具有至少95体积％的金属间相和不超过约5体积％的固溶相的铸态微结构。金属间相可以包括ni3nb和ni8nb7的棒状金属间相。微结构可以是层状微结构和/或微结构可以具有小于5体积％的富ni-fe和ni-co的金属间相。
6.可通过形成合金熔体、将熔体倒入模具并冷却熔体以形成铸件来制造合金铸件。在冷却过程中，熔体可以凝固成至少95体积％的金属间相的微结构，具有均匀的微结构。在一个实施方案中，熔体可基本上由约1.75％至约3％的硅、约7％至约15％的铬、至多约6.5％的钴、约0.05％至约10％的铁、约14％至约29％的铌、约48％至约73％的镍组成，以及余量至多3％的总其他元素和偶然或无法避免的杂质，该合金具有约70％至约90％的镍加铌总含量和约10％至约30％的硅、铬、钴和铁总含量。
附图说明
7.图1显示了100x下jonesite 19的背散射电子图像。
8.图2显示了在1500x下jonesite19的背散射电子图像。
9.图3显示了在1500x下共晶反应物图像和三种潜在不同的共晶反应。
10.图4显示了图3中相a的eds分析。
11.图5显示了图3中相b的eds分析。
12.图6显示了图3中相c的eds分析。
13.图7显示了5000x下初次共晶间反应物区域的sem图像。
14.图8a显示了图7中标记的点1的eds分析结果，图8b显示了重量和原子百分比。
15.图9a显示了图7中标记的区域2的eds分析结果，图9b显示了重量和原子百分比。
16.图10a显示了图7中标记的区域3的eds分析结果，图10b显示了重量和原子百分比。
17.图11显示了不同耐腐蚀合金之间的耐腐蚀性比较。
18.图12显示了五种评估合金的压缩屈服强度与测试温度的关系。
具体实施方式
19.为了改进适于高温应用的合金，开发了一种由金属间相组成的合金，该合金具有多种工程应用的潜力。例如，合金可以在高温下表现出持续的或甚至改进的材料强度。在一个实施方案中，合金化学成分可以设计成两种不同的金属间相构成为基础“组分”。在下面提供的示例中，该合金被称为“jonesite 19”，它是ni3nb-ni8nb7合金，具有用于金属间复合合金设计的理想高温性能。jonesite 19可以是用于氢燃料内燃机的特别好的合金，其中燃烧副产物主要是水。在这样的引擎中，高耐腐蚀金属间合金潜在地更适于vsi/阀应用。
20.尽管氢内燃机(hice)自19世纪初就已被探索，但迄今为止，此类引擎还未被广泛用于乘用车。近年来，与汽油ic引擎相比，hice用于交通应用的兴趣重新燃起，部分原因是其燃烧排放量更低。基本上，2h2+o2＝2h2o反应的燃烧不会产生碳排放。对于典型的hice引擎设计，氧气从空气中抽取，这也将氮气引入燃烧反应。结果，可以形成少量的no
x
，其中在hice引擎中形成的no
x
的实际量是氢与空气之比的函数。
21.与汽油火焰相比，氢气火焰的熄火距离更小，因此与其他燃料相比，氢气可以行进更靠近气缸壁，该气缸壁包括阀/vsi位置。此外，hice引擎的燃烧副产物与汽油或柴油引擎非常不同。因此，与燃气/柴油引擎相比，hice引擎对vsi/阀合金的耐腐蚀性和耐磨性要求不同。具有良好干磨损条件的金属间基合金产品是实现阀机构部件所需高性能的潜在优秀候选者。若干l.e.jones(“lej”)金属间合金产品可用于帮助hice或hice+天然气引擎以满足其预期性能。
22.现代内燃机在实质上更高的温度和压力条件下运行，以符合20多年前采用的更严格的排放法规。在越来越高的工作温度和应力条件下，具有高固溶强化相基体百分比的传统阀座嵌件(vsi)合金已不能满足引擎阀机构部件的性能要求。一种新的高性能合金，lej合金j513，是一种富铁合金，具有初次金属间相强化机制。j513合金在阀机构应用中的优异性能证实了用于引擎部件应用的合金中高容量金属间相强化机制的有效性。对于j513，初次金属间相σ相是通过固态相变形成的。相比之下，通过合金凝固过程实现了jonesite 19的初次金属间相基体。更具体地，两种不同类型的金属间相可以在凝固期间通过期望的共晶反应形成。
23.现代vsi合金设计采用的另一个概念是实现精细分布的微结构。与lej合金j10相比，其中laves金属间相交替分布在其微结构中，通常呈片状形态，j513在微结构中具有精细分布的σ金属间相，这有助于更好和更一致的摩擦性能。与inconel 718等商用超级合金相比，其中少量的金属间相用于强化“较软”基体，j513和j10中约50％的基体含有大量的单相金属间化合物。然而，j513和j10两者仍然具有“较软”的基体部分，这限制了高温工作所需的温度和工作应力水平。总的来说，j513的高温性能比j10稍好，这主要是因为j513与j10相比，其微结构(基体相和金属间强化相)精细并均匀分布。
24.jonesite 19合金优选主要包含两种金属间基体相，具有非常少量的固溶相(小于5体积％)和精细分布的微结构。通常，jonesite 19可包含70重量％至90重量％的ni和nb总量，10重量％至30重量％的si、cr、co和fe总量，以及少于3％的其他元素总量(包括偶然或无法避免的杂质)。在一个具体的示例中，jonesite 19合金可以是铌和镍金属间体系，其中铌加镍的总量为约75重量％，而其余25重量％的元素包括铬、钴、铁和硅。更一般地，jonesite 19可包含目标量为约5至15重量％(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15重量％或其间的任何范围)的铬(cr)以提供优越的耐腐蚀性能，目标量为至多约10重量％fe(0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10重量％fe或其间的任何范围)的铁(fe)，目标为至多约7重量％co(0、1、2、3、4、5、6、7重量％co或其间的任何范围)的钴(co)和目标为约1.5至3.5重量％si(1.5、2、2..5、3、3.5重量％si或其间的任意范围)的硅(si)。可以选择铁和钴的量，以确保在jonesite 19合金体系中没有显著的铁镍或钴镍类型的金属间相形成。jonesite 19优选地包括小于3重量％的总其它元素，包括偶然或无法避免的杂质，所述杂质至少包括碳(c)、锰(mn)、钼(mo)、钨(w)和钒(v)，小于0.1重量％c、小于0.1重量％mn、小于0.4重量％mo、小于0.3重量％w和小于0.3重量％v。任选地，总镍加钴与总铌加铬的比率为约1.5至约3。
25.根据金属间类型，金属间相的材料性质可能会发生显著变化。例如，合金j10中的初次金属间相是具有ab2化学计量比的laves相。然而，金属间相通常表现出高强度但低延展性，因此具有相对低的抗冲击断裂性。为了获得足够的抗冲击断裂(开裂)性，j10合金包含约50重量％laves相和50重量％钴固溶相。软钴固溶相和laves相交替分布，以达到平衡的强度和延展性。
26.jonesite 19的基体形成是通过选择过共晶的中等组成范围共晶反应进行的。与市售的高合金相比，这是一种新颖的合金开发理念，市售的高合金设计为具有两种或三种元素的二元或三元体系。jonesite 19设计为两种金属间相ni3nb和ni8nb7，作为发生共晶反应的基础，并且可以被认为是完全金属间相合金。在该合金体系中，共晶反应在大约2150
°
f下发生，这在普通金属熔化方法的理想铸造工艺范围内。同时，两种金属间相共晶反应物的熔化温度分别为约2550
°
f和2359
°
f。因此，jonesite 19的工作温度能力显著高于常规设计的高合金体系，但铸造温度在与用于常规设计的高合金相似的温度范围内。通常，多组分金属间相合金在高温下表现出高的潜在相稳定性，这是由于这种合金体系的低gibb自由能。
27.jonesite 19合金体系可通过共晶反应提供混合金属间相结构，合金体系将稳定，吉布斯自由能更低。同时，由于晶体相似性，ni3nb和ni8nb7之间的结合强度应理想地高。
28.表1提供了示例性的jonesite 19合金成分(重量％)和预测硬度(hrc)(表1中列出的合金成分的余量是偶然的和无法避免的杂质)。表1
29.图1显示了jonesite 19(热号9)铸造结构中典型的一般微结构分布，其表现出非常精细的微结构分布。jonesite 19合金表现出很强的耐腐蚀性，事实上很难对其进行适当的蚀刻以进行金相检验。因此，应用背散射电子图像来揭示微结构细节。
30.图2显示了高倍下jonesite 19的显微结构图像。显然，金属间和金属间共晶反应物与极少量的共晶区相(本质上主要是细小的共晶反应)一起形成。
31.图3显示了另一种典型的jonesite 19微结构，其具有三种不同的z对比反应物相，
分别标记为a、b和c。
32.图4是a相的eds分析，显示26.97/48.86或约0.55nb与ni的质量百分比比率。
33.图5是b相的eds分析，显示21.72/49.49或约0.44nb与ni的质量百分比比率。
34.图6是c相的eds分析，显示约0.31nb与ni的比率。
35.根据eds分析，jonesite 19中大量棒状相(a相)被确认为ni8nb7，另一棒状相(c相)被确认为ni3nb。b相位于初次共晶间反应物区域，其具有约0.44的nb与ni的比率。
36.图7显示了初次共晶间反应物区域的高倍图像。显然，除了二次共晶反应物外，还有少量镍固溶体相(标记为区域2)。因此，可以合理地假设，在jonesite凝固过程中，初次共晶反应完成后，液体仍然存在，这是一种富镍固溶相，形成于初次共晶间反应物区域。然后，在形成富镍固溶相之后，剩余的液体成分再次达到金属间共晶反应范围，发生二次共晶反应。
37.关于图7中标记的区域，图8a显示了图7中所标记的点1的eds分析结果，图8b显示了重量和原子百分比；图9a显示了图7中标记的区域2的eds分析结果，图9b显示了重量和原子百分比；图10a显示了图7中标记的区域3的eds分析结果，图10b显示了重量和原子百分比。
38.鉴于上述讨论，jonesite 19有望为引擎部件或其他高温应用提供足够的硬度。由于该合金是“完全”金属间相基体合金，因此预期具有优异的高温性能。简单的样品蚀刻测试表明，这种精细均匀分布的微结构具有优异的耐腐蚀性，这在任何市售高温合金中都没有发现。可以通过凝固过程而不是通过粉末冶金形成的薄片型微结构可以提供另一个优点，以最大化合金应用能力。
39.通常，jonesite 19可被认为是镍铌金属间合金，其含有以重量百分比计约1.5％至约3.5％的硅；5％至约15％的铬；约45％至约75％的镍；约14％至约30％的铌；至多约7％的钴；以及至多约10％的铁；其中镍加铌的含量为约70％至约90％，硅、铬、钴和铁的总含量为约10％至约30％。例如，该合金可含有约0.01％至约0.08％的碳、约0.01％到约0.2％的锰、约1.9％至约2.9％的硅、约7％至约15％的铬、约0.01％至约6.25％的钴、约0.05％至约10％的铁、约14％至约29％的铌和约48％至约73％的镍。
40.jonesite 19合金可含有至多3％的其他元素和偶然或无法避免的杂质，包括至多0.1％的碳、至多0.3％的锰、至多0.5％的钼、至多0.3％的钨和至多0.3％的钒。如果需要，该合金可以基本上由碳、锰、硅、铬、钴、铁、铌和镍以及总计至多3％的其他元素组成，其他元素包括磷、硫、铜、氮、氧、硼、钨、钼、钒、钽、铍、钛、铪、锆、铝、钙、铋、铅、硒、钇和稀土金属。
41.在一个实施方案中，可通过铸造jonesite 19合金来制造用于内燃机的阀座嵌件或其他零件。然而，jonesite 19可用于制造其他铸件。这样的部件可以具有至少95体积％的金属间相和不超过约5体积％的固溶相的铸造微结构。金属间相可以包括ni3nb和ni8nb7的棒状金属间相。微结构可以是层状微结构和/或微结构可以具有小于5体积％的富ni-fe和ni-co的金属间相。合金的铸造可以通过形成合金熔体、将熔体倒入模具并冷却熔体以形成铸件来进行。在冷却过程中，熔体可以凝固成至少95体积％的金属间相的微结构，具有均匀的微结构。
42.合金的耐腐蚀性和耐热腐蚀性对于ic引擎部件应用越来越重要。对于柴油和天然
气引擎，较高的燃烧温度是提高燃料经济性的当前趋势，而对于氢燃料ic引擎，良好的耐腐蚀性/热腐蚀性显然是确保所需引擎性能的基础。
43.为了将jonesite 19与其他合金进行比较，进行了基本的耐浸没腐蚀性评估。所应用的测试包括将测试环试样浸入500ml溶液中，溶液中含有3.4体积％的硝酸、1.4体积％的硫酸和1.65g溶解的nacl，酸度为1.2ph。测试持续时间为168小时。通过测量试样的质量变化获得腐蚀速率，三次试验的平均数如图11所示，显示了不同耐腐蚀合金之间的耐腐蚀性比较。
44.表2总结了腐蚀试验中涉及的合金成分。合金j10是具有金属间强化相的钴基合金。j95合金是富镍合金，具有完全共晶凝固微结构。j125合金是高碳不锈钢。j513合金富铁，具有金属间强化基体。jonesite 19合金是金属间-金属间铸造复合材料。
45.表2(用于腐蚀试验的jonesite 19至lej合金j10、j95、j125和j513的成分，重量％)。
46.一般来说，铬含量的增加可以增强耐蚀性，尤其是对铁基或富铬合金而言。在jonesite金属间合金体系中，即使铬含量为13.36重量％，jonesite19合金在这些通常良好的耐腐蚀合金中也具有最高的耐腐蚀性。
47.jonesite 19合金具有金属间复合基体，预计其在高温下具有高压缩屈服强度。为了进行比较，本研究使用了几种具有高压缩屈服强度的合金，包括lej合金j10、j130、j513和j580。表3总结了压缩试验的试验结果，图12显示了所有五种评估合金的压缩屈服强度与试验温度的关系。
48.表3(jonesite 19与lej j10、j130、j513和j580高性能vsi合金的抗压屈服强度比较)
49.所研究的大多数合金显示了抗压屈服强度从环境温度降低到1200
°
f。然而，与所研究的其他四种合金相比，jonesite 19的抗压屈服强度随试验温度的变化最小。事实上，jonesite 19在环境温度下的抗压屈服强度实际上与1200
°
f下的抗压强度相同。该材料性能对于高温和/或工作条件下的显著工作温度波动的工程应用是有益的，例如柴油、天然气和氢ice引擎部件。因此，预期jonesite 19对于vsi和/或其他高温工作部件具有优异的性能。
50.本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。因此，当前公开的实施方案在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是前述描述来指示，并且在其含义和范围内的所有变化以及等效性都旨在包含在其中。

技术特征：
1.一种镍铌金属间合金，其含有以重量百分比计，约1.5％至约3.5％的硅；5％至约15％的铬；约45％至约75％的镍；约14％至约30％的铌；至多约7％的钴；以及至多约10％的铁；其中镍加铌含量为约70％至约90％，硅、铬、钴和铁的总含量为约10％至约30％。2.根据权利要求1所述的合金，其还包含至多3％的总其它元素和偶然或无法避免的杂质，包括碳、锰、钼、钨、钒、钛、锆、铪、钽、铍、铝、硼、硫、磷、铜、钙、氮、氧、硒、铅、钇、稀土金属和铋。3.根据权利要求1所述的合金，其还包含至多0.1％的碳、至多0.2％的锰、至多0.5％的钼、至多0.3％的钨和至多0.3％的钒。4.根据权利要求1所述的合金，其包含约1.75％至约3％的硅。5.根据权利要求1所述的合金，其包含约7％至约15％的铬。6.根据权利要求1所述的合金，其包含至多约6.5％的钴。7.根据权利要求1所述的合金，其包含约0.05％至约10％的铁。8.根据权利要求1所述的合金，其包含约14％至约29％的铌。9.根据权利要求1所述的合金，其包含约48％至约73％的镍。10.根据权利要求1所述的合金，其基本上由1.75％至3％的硅、7％至15％的铬、至多6.5％的钴、0.05％至10％的铁、14％至29％的铌、48％至73％的镍以及余量至多3％的无法避免和偶然杂质组成。11.根据权利要求10所述的合金，其中所述无法避免和偶然的杂质包括磷、硫、铜、氮、氧、硼、钨、钼、钒、钽、铍、钛、铪、锆、铝、钙、铋、铅、硒、钇和稀土金属。12.一种用于内燃机的阀座插件，所述阀座插件由权利要求1所述的合金制成。13.根据权利要求12所述的阀座插件，其中，所述阀座插件是铸造阀座插件。14.根据权利要求1所述的合金制成的铸件，其中所述合金具有至少95体积％的金属间相和不超过约5体积％的固溶相的铸造微结构。15.根据权利要求14所述的铸件，其中所述金属间相包括ni3nb和ni8nb7的棒状金属间相。16.根据权利要求14所述的铸件，其中所述微结构是层状微结构。17.根据权利要求14所述的铸件，其中所述微结构具有小于5体积％的富ni-fe和ni-co金属间相。18.一种铸造根据权利要求1所述的合金的方法，包括形成所述合金的熔体，将所述熔体浇注到模具中并冷却所述熔体以形成所述铸件。19.根据权利要求18所述的方法，其中在冷却期间，所述熔体被凝固为具有均匀微结构的至少95体积％的金属间相的微结构。20.根据权利要求18所述的方法，其中所述熔体基本上由约1.75％至约3％的硅、约7％至约15％的铬、至多约6.5％的钴、约0.05％至约10％的铁、约14％至约29％的铌、约48％至约73％的镍以及余量至多3％的总其他元素组成，镍和铌的总含量为约70％至约90％，硅、铬、钴和铁的总含量约10％至约30％。

技术总结
镍铌金属间合金含有以重量百分比计约1.5％至约3.5％的硅；5％至约15％的铬；约45％至约75％的镍；约14％至约30％的铌；至多约7％的钴；以及至多约10％的铁；其中镍加铌的含量为约70％至约90％，硅、铬、钴和铁的总含量为约10％至约30％。该合金可以具有至少95体积％的金属间相和不超过约5体积％的固溶相的铸造微结构。金属间相可以包括Ni3Nb和Ni8Nb7的棒状金属间相。微结构可以是层状微结构和/或微结构可以具有小于5体积％的富Ni-Fe和Ni-Co的金属间相。间相。


技术研发人员：乔从跃 戴维
受保护的技术使用者：L.E.君斯公司
技术研发日：2022.11.21
技术公布日：2023/7/11