| 合金元素Ru、Ti、Hf与快速凝固对NiAl基合金组织和力学性能的影响 | |
| 李虎田 | |
| Subtype | 博士 |
| Thesis Advisor | 叶恒强 |
| 2006-12-15 | |
| Degree Grantor | 中国科学院金属研究所 |
| Place of Conferral | 金属研究所 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | Nial-cr(Mo)共晶合金 微合金化 快速凝固 热等静压 室温塑性 固溶软化 高温强度 |
| Abstract | 金属间化合物NiAl由于具有密度低、导热性好、良好的抗高温氧化和腐蚀能力以及较好的高温稳定性等优点，作为新一代高温结构材料的候选材料在各发达工业国家得到广泛研究，但是室温脆性和不足的高温蠕变强度严重阻碍了NiAl及其合金的实用化进程。定向凝固工艺制备的NiAl-28Cr-6Mo合金室温断裂韧性已经达到24.1MPam1/2 ，而且具有一定的高温蠕变强度，因此有希望成为实用化的合金，但其高温蠕变强度仍未达到当代镍基高温合金水平。适量Hf的加入虽然可以进一步提高该合金的高温蠕变强度，然而存在于NiAl/Cr(Mo)相界和共晶胞界的块状Ni2AlHf相却明显地弱化了该合金的室温断裂韧性和压缩塑性。为达到高温强度和室温断裂韧性性能的平衡，本文研究了微量Ru对NiAl二元合金、Ti和Hf同时添加对NiAl-28Cr-6Mo共晶合金微观组织和力学性能的影响以及合金化机理；采用水冷铜模吸铸工艺制备了两种NiAl基共晶合金并研究了快速凝固对其微观组织和力学性能的影响，分析了微观组织与力学性能之间的关系；此外，对该工艺制备的合金进行了热等静压处理，研究了其对微观组织和力学行为的影响以及作用机制。 对于NiAl-28Cr-5.8Mo-0.2Hf和NiAl-31Cr-2.9Mo-0.1Dy两种近共晶合金而言，快速凝固导致共晶成分点向Cr(Mo)相一侧偏移,首次发现NiAl和Cr(Mo)两相在共晶形核中具有不同的异质形核能力,NiAl比Cr(Mo)更易成为共晶的形核基底，即NiAl应为先共晶相。通过与其它金属间化合物共晶合金体系的比较，提出了先共晶相不一定是高熔点相的观点，其机理值得进一步深入探讨。快速凝固引起共晶组织细化和组成相固溶度提高,但基体中析出的Cr(Mo)仍然保持与基体的共格或半共格关系。快速凝固NiAl-31Cr-2.9Mo-0.1Dy合金的压缩塑性和屈服强度比普通铸态分别提高47.6%和38.9%。Cr在NiAl中固溶度的提高有利于合金压缩塑性的改善,压缩塑性的改善也与界面位错网的位错发射有关, Dy对共晶胞界的强化作用，以及层片间距细化减小了变形过程中的应力集中程度，从而避免了沿共晶胞界的早期开裂，也有利于塑性的改善。初始枝晶相的出现，导致附近的共晶组织中Mo元素的贫化，从而使共晶组织由层片状退化为棒状，以及导致附近的共晶组织容易在高温下发生粗化，在变形过程中易于早期开裂，因此，在将来的快速定向凝固过程中，应该对合金成分作适当调整，尽量减少初生枝晶相的体积分数。 快速凝固导致NiAl-28Cr-5.8Mo-0.2Hf合金中Heusler相转变为富Hf的固溶体,这是由于快凝导致富Hf相中Cr的固溶量增加，从而提高了富Hf固溶体相的稳定性。HIP处理后初生枝晶区组织显著粗化,而对大片共晶组织区影响不大,这归因于枝晶组织提供了粗化所需的原子、形核位置以及HIP工艺本身的高温高压加速了原子扩散。快速凝固制备的合金其高温压缩变形性能与普通铸态合金相比,略有提高，其高温流变行为可以用温度补偿的幂律方程描述。 Ru在NiAl 中有很大的固溶度，在本实验条件下，3at.%以下的Ru全部溶入NiAl中，时效处理后仍然未有任何第二相析出。在0.5at.%Ru含量时出现硬度和屈服强度的最低值，相应的压缩塑性变形最大，这一效应一直保持到高温流变过程中。添加微量Ru不能改变NiAl(Ru)合金的B2有序晶体结构，但是由于Ru与Ni不同的电子结构，添加Ru可能改变局部的电子结构，在局部出现无序区，因而导致有序度的降低，从而在0.5at.%Ru含量时出现维氏硬度的最小值和屈服强度的最低值，以及压缩断裂应变的最大值。 在NiAl-Cr(Mo)共晶合金中，同时添加Hf和Ti以后，在共晶胞界上除了析出含Ti、Hf的Heusler相Ni2Al(Ti,Hf)以外，还同时析出一种（Ti,Hf）固溶体相,这是一种bcc结构的无序固溶体，因此对塑性的改善有利。除此以外，在NiAl基体内还析出了与基体共格或半共格的Ni2Al(Ti,Hf)颗粒，即同时添加Ti与Hf促进了Ni2Al(Ti,Hf)在基体内部的析出。同时，随着Ti含量的增加，在基体内析出的Ni2Al(Ti,Hf)颗粒的数量在增加，在共晶胞界上析出的块状Heusler相数量却在减少。这点归因于随着Ti含量增加，NiAl/Ni2Al(Ti,Hf)之间的错配度减小，界面能降低，从而有利于Ni2Al(Ti,Hf)在基体内的均匀形核和共格析出。从形貌上看，随着Ti含量的增加，基体内析出的Ni2Al(Ti,Hf)颗粒呈现出从立方体到带圆角的立方体，再到球形颗粒的不同形貌特征，而且在空间分布上高度有序，表现出类似Ni基高温合金中γ/γ’的特征。其特征可以近似地用Voorhees等人推导出一个无量纲参数L（ ）来描述，这个常数表达了共格应变能和界面能对立方体系中沉淀析出相形貌相对作用的大小。随着Ti含量的增加，基体上析出的Ni2Al(Ti,Hf)颗粒尺寸逐渐减小，由Ti1.0合金的339 nm减小到Ti5.0合金的70 nm。这一现象可以用Gibbs-Thomson效应来解释。添加Ti1.0的合金的室温压缩性能表现为屈服强度、断裂强度和压缩断裂应变同时得到显著提高，这可以归因于共晶胞界上析出的无序固溶体相，以及在基体上析出共格或半共格的Ni2Al(Ti,Hf)颗粒的有益作用。 |
| Pages | 157 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16924 |
| Collection | 中国科学院金属研究所 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 李虎田. 合金元素Ru、Ti、Hf与快速凝固对NiAl基合金组织和力学性能的影响[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006. |
| Files in This Item: | There are no files associated with this item. | |||||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment