[发明专利]铁基耐热合金

说明书

本发明涉及一种轻型耐热耐蚀铁基合金。这种合金具有抗氧化、耐腐蚀、可铸性和高强度等优异性能，并具有低比重和良好拉伸塑性。这类新合金比传统含镍的钢种，如不锈钢、耐热钢和耐热合金要轻20-25％和便宜20-80％。

目前，在耐热结构上最常用的材料是上述含镍的耐热钢、耐热合金和高温合金。然而，由于这类耐热钢、耐热合金和高温合金具有比较高的比重，促使人们寻求一种具有较低比重的耐热材料。正在被研究的陶瓷和有序金属间化合物具有比较低的比重，可望成为目前使用的传统耐热不锈钢和合金的替代材料。遗憾的是，它们都未能同时具备合适的拉伸塑性、高强度和良好的抗氧化性能，而这些综合性能正是高温工程应用所要求的。

由于陶瓷完全没有拉伸塑性，无法发挥其低比重的优点。此外，陶瓷部件一般通过价格昂贵的粉末烧结工艺制备而成。由于陶瓷部件缺乏塑性及价格昂贵，故只能有限地被采用。

低比重有序金属间化合物也未能获得合适的室温拉伸塑性，室温断裂韧度也较低。此外，制备这类材料和加工成部件也要采用比较复杂的工艺技术，从而大大地提高了生产费用。加上较低的室温塑性容易引起传送和加工过程的损伤，从而造成高的部件加工废品率。

有序金属间化合物的一个例子是Fe₃Al。纯铁是体心立方(BCC)结构的固溶体，具有很高的塑性。与纯铁不同，Fe₃Al是由有序体心立方(BCC)结构构成(一般在室温形成DO₃有序结构，而在高温形成B₂有序结构)。在这种有序结构中，Fe和Al原子被安排在固定的位置上作规则的排列。Fe₃Al具有较低的比重，由于含有较高的铝含量，故在800℃以下具有良好的抗氧化性能。在Fe₃Al材料中的铝在氧化性气氛中容易在表面形成一层氧化皮，虽然这层氧化皮并不很坚固，而且在高于800℃时容易起皮。此外，Fe₃Al的原材料比较便宜。但Fe₃Al很脆，室温拉伸塑性也低，较容易发生沿晶和穿晶断裂。

虽然在Fe₃Al中加铬可以有限地改善其拉伸塑性，而且比重也较轻，其密度大约为6.5g/cm³，但是常用的有序Fe-Al-Cr成份却具有较差的高温强度、抗腐蚀能力和抗氧化能力。

所以在此领域中继续努力寻求一种价格不高而又具有低比重、一定塑性，优异的抗氧化性能和优异加工性能的耐热材料是人们追求的目标。特别需要的是一种新的铁基合金，该合金应具有低比重，高强度，合适的拉伸塑性-设定为具有≥5％拉伸延伸率，和优异的抗氧化和耐腐蚀性能。以上提出的目标可以通过在铁-铝体系中加入适量的铬和碳，以获得一种体心立方结构的铁铝铬碳合金来实现。

本发明可立即应用于船舶、卡车和轿车的高速柴油机涡轮增压器。由于柴油机比汽油机具有更好的燃料经济性，所以被广泛采用。在高速柴油机中采用涡轮增压器可以大大提高燃料经济性，提高柴油机的效率和降低污染。世界上大部分工业卡车和10％的轿车(在欧洲达20％，在日本为10％)使用带有涡轮增压器的高速柴油机。一台柴油机涡轮增压器是由压缩机和涡轮机组成。从机械动能考虑，涡轮机是最关键的部件，因为它在高温下运转，如高达650℃，承受由于高速旋转产生的高离心应力，并在氧化和腐蚀气氛中运转。

目前，涡轮增压器的涡轮机采用铁镍基或镍基合金铸成，不但昂贵而且很重。由于重量产生的惯性，涡轮机在达到最有效运转的转速前，需要一定的时间去克服这种惯性，所以重量越重，需要克服的惯性越大，所需要的加速时间越大。明证就是当突然加速时，卡车会出现带黑烟的尾气，这种尾气是当涡轮机达到所需要最佳转速前的加速时间段内燃料没有完全燃烧所造成的。由本发明所指的铁铝铬碳合金所制成的涡轮增压器涡轮机和压缩机可以帮助解决上述铁镍基和镍基涡轮增压器所存在的问题。

本发明的目的是提供新的具有体心立方结构的铁铝固溶体合金，具体为Fe-Al-Cr-C构成的一类轻型耐热材料。

本发明的另一目的是采用常规的工艺技术制备由Fe-Al-Cr-C固溶体相组成的部件或复合材料，而复合材料中每一相都是BCC固溶体，各相的点阵常数基本相同，而形成很好的结构匹配。

本发明的另一目的是采用本发明合金生产出涡轮增压器部件，具体来说是涡轮增压器的涡轮机和压缩机。