本發(fā)明涉及一種fe-mn-al系合金的制備方法，屬于輕質(zhì)高強(qiáng)合金制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

fe-mn-al合金具有較高的強(qiáng)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(dǎo)率，及價格低廉等顯著特點(diǎn)，是很有發(fā)展前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。目前，作為高溫結(jié)構(gòu)材料的有序金屬間化合物，國內(nèi)外重點(diǎn)研究并取得重大進(jìn)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(zhàn)略元素，成本低，具有優(yōu)異的抗氧化性、抗腐蝕性和較高的高溫強(qiáng)度。單一的fe-al合金材料強(qiáng)度較低，脆性較大。在fe-al系金屬間化合物的基礎(chǔ)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(qiáng)度和綜合力學(xué)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(tǒng)的熔鑄方法是將原料通過真空感應(yīng)熔煉或真空電弧熔煉的方法進(jìn)行熔煉，然后通過細(xì)化晶?；蛳嚓P(guān)熱處理工藝來改善質(zhì)量與性能，該法的原料一般為純金屬錠。缺點(diǎn)是液態(tài)金屬間化合物的流動性較差，凝固時補(bǔ)縮困難，容易產(chǎn)生縮孔或縮松，產(chǎn)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(jié)設(shè)備中進(jìn)行真空燒結(jié)。該法的原料一般為高純金屬粉末。該法的缺點(diǎn)是成本高，難以獲得高的致密度，從而顯著影響材料的強(qiáng)度、塑性和綜合力學(xué)性能。另外，升溫速率和燒結(jié)溫度對材料組織和成分有較大影響，工藝較為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jìn)行壓片，然后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉過程中不斷對熔體進(jìn)行攪拌，當(dāng)合金熔體溫度達(dá)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(hù)下，在1000℃保溫2-3小時，然后油冷淬火，經(jīng)油冷淬火后的合金繼續(xù)在氬氣氛圍下加熱至550-650℃進(jìn)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(zhì)高強(qiáng)合金。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述錳粉、鋁粉和鐵粉的純度均≥99.99%，粒徑為300~400目。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述錳粉、鋁粉和鐵粉進(jìn)行球磨混合，球料比為10:1~15:1，球磨時間不少于4小時。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述水冷銅模澆鑄的冷卻速率為5ks^-1~10ks^-1。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明制備的fe-mn-al輕質(zhì)高強(qiáng)合金宏觀硬度達(dá)到45hrc以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到949mpa以上，密度可以達(dá)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(fā)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(chǎn)生了明顯的固溶強(qiáng)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(chǎn)生明顯的固溶強(qiáng)化。

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

附圖說明

圖1是實(shí)施例1鑄態(tài)的fe-mn-al高強(qiáng)輕質(zhì)合金的微觀組織圖；

圖2是實(shí)施例1熱處理后的fe-mn-al高強(qiáng)輕質(zhì)合金的微觀組織圖；

圖3本發(fā)明的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。

實(shí)施例1

一種fe-mn-al系高強(qiáng)輕質(zhì)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(shù)為300目的錳粉、鋁粉和鐵粉按照一定的質(zhì)量百分比進(jìn)行稱量配料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(jī)下進(jìn)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(hù)氣氛下進(jìn)行熔煉，同時連續(xù)的通過電磁攪拌對熔體進(jìn)行處理，使熔體完全均勻化，同時細(xì)化析出相和基體組織，當(dāng)合金熔體溫度達(dá)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(jīng)油冷淬火后的合金繼續(xù)在氬氣氛圍下加熱至550℃進(jìn)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(zhì)高強(qiáng)合金。

本實(shí)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(nèi)如圖2所示。

實(shí)施例2

一種fe-mn-al系高強(qiáng)輕質(zhì)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(shù)為300目的錳粉、鋁粉和高純鐵粉按照一定的質(zhì)量百分比進(jìn)行稱量配料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(jī)下進(jìn)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(hù)氣氛下進(jìn)行熔煉，同時連續(xù)的通過電磁攪拌對熔體進(jìn)行處理，使熔體完全均勻化，同時細(xì)化析出相和基體組織，當(dāng)合金熔體溫度達(dá)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(jīng)油冷淬火后的合金繼續(xù)在氬氣氛圍下加熱至600℃進(jìn)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(zhì)高強(qiáng)合金。

實(shí)施例3

一種fe-mn-al系高強(qiáng)輕質(zhì)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(shù)為300目的錳粉、鋁粉和高純鐵粉按照一定的質(zhì)量百分比進(jìn)行稱量配料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(jī)下進(jìn)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(hù)氣氛下進(jìn)行熔煉，同時連續(xù)的通過電磁攪拌對熔體進(jìn)行處理，使熔體完全均勻化，同時細(xì)化析出相和基體組織，當(dāng)合金熔體溫度達(dá)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(jīng)油冷淬火后的合金繼續(xù)在氬氣氛圍下加熱至650℃進(jìn)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(zhì)高強(qiáng)合金。

表1本發(fā)明實(shí)施例1~3制備得到的fe-mn-al合金的性能

上面結(jié)合了實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方的案意識和原理下做的改變、修飾、替代、組合和簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的目的，只要不背離本發(fā)明fe-mn-al合金的制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。