论文部分内容阅读
金属间化合物NiAl由于具有密度低、导热性好、良好的抗高温氧化能力和较好的高温稳定性等优点,成为潜在的新一代高温结构材料,但是其严重的室温脆性和相对低的高温强度阻碍了NiAl及其合金的实际应用。定向凝固工艺制备出的NiAl-28Cr-6Mo共晶合金具有较高的室温断裂韧性和高温性能,使此合金成为有望实用化的合金之一,但其高温强度仍低于镍基高温合金。适量Hf的加入虽然可以进一步提高该合金的高温强度,然而存在于NiAl/Cr(Mo)相界和共晶胞界的Heusler相却明显地降低了该合金的室温断裂韧性和压缩塑性。从期望取得平衡的高温强度和室温力学性能的角度出发,本文开展了三方面的研究工作,首先研究了微量Ho对NiAl-28Cr-6Mo-0.15Hf共晶合金微观组织和力学性能的影响;其次采用快速凝固喷铸工艺制备了NiAl-28Cr-6Mo-0.15Hf-0.15Ho共晶合金,研究了快速凝固工艺对合金微观组织和力学性能的影响,以及热等静压处理对快速凝固合金微观组织和力学行为的影响;最后,研究了强磁场热处理工艺对NiAl-28Cr-6Mo-0.2Hf共晶合金组织和力学性能的影响及其机理。
少量Ho的添加细化了NiAl-28Cr-6Mo-0.15Hf共晶合金的层片间距和共晶胞尺寸;当Ho的添加量超过0.2 at.%时,合金胞界组织开始粗化;当Ho量达到1 at.%时,合金开始失去胞状共晶组织的特征。微量Ho的添加导致了Ni2Al3Ho相的析出,该相具有Hexagonal晶体结构,而且在[124]晶向上发现相内存在着显微孪晶缺陷。除了Ni2Al3Ho相外,在合金中还发现了Ni3.5Al1.5Ho相和Ho2O3氧化物颗粒,而且发现Ni3.5Al1.5Ho相和NiAl基体有着一定的晶体取向关系:[511]NiAl//[111]Na3.5Al1.5Ho,(511)NiAl//(111)Na3.5Al1.5Ho。适量Ho的添加能够进一步提高NiAl-Cr(Mo)-Hf合金的室温压缩性能和高温强度,但是Ho的添加并未有效的改善合金的断裂韧性。高温热处理和热等静压处理粗化了NiAl和Cr(Mo)析出颗粒,高温热处理促使了Ho2Hf2O7氧化颗粒的析出,而热等静压处理则细化了共晶胞界的强化相并促使Hf和Ho元素向共晶胞内扩散,并析出细小的Ni2AlHf和Ni2Al3Ho颗粒。
对喷铸工艺制备的NiAl-Cr(Mo)-Hf-Ho共晶合金的微观组织和力学性能的研究发现:相对于普通铸态合金,喷铸工艺制备的合金具有细化的共晶层片间距、共晶胞尺寸和共晶胞界区域,而且层片的细化比共晶胞的细化更显著;快速凝固的高过冷度扩展了NiAl-Cr(Mo)-Hf-Ho合金的伪共晶区,减少了初生NiAl相,由于共晶胞界的细化,NiAl-Cr(Mo)-Hf-Ho共晶胞体积分数明显增加;快速凝固能使NiAl-Cr(Mo)-Hf-Ho合金各组成相发生明显的合金元素固溶度扩展。此外,共晶胞界的Ni2AlHf和Ni2Al3Ho相更加细小,分布也更加均匀。喷铸工艺使得合金的共晶胞界附近形成了Hf和Ho的固溶体相,其分别具有Cubic和Hexagonal晶体结构;此外在共晶胞间形成一种Cr7Ni3相,具有Tetragonal晶体结构,而且相内具有层错和显微孪晶缺陷。细化的微观组织、扩展的固溶度和增加的共晶体积分数是喷铸态NiAl-Cr(Mo)-Hf合金室温力学性能提高的主要原因。此外,Ni2AlHf和Ni2Al3Ho相的细化和均布以及共晶胞内的Hf、Ho固溶体相都对合金室温性能的改善有一定的帮助。尽管组织的细化对合金的高温强度不利,但是共晶胞界弥散分布的Ni2AlHf和Ni2Al3Ho强化相完全可以弥补这一不足。热等静压处理使得喷铸合金部分共晶组织发生了粗化,同时造成部分Ni2AlHf和Ni2Al3Ho相转变为Hf和Ho的固溶体相。此外,合金中NiAl和Cr(Mo)相中沉淀析出更多的颗粒,NiAl基体中也形成了大量的可动位错,这些微观组织的优化进一步改善了合金的室温塑性和高温强度。
强磁场处理加速了NiAl-Cr(Mo)-Hf共晶合金内部的元素扩散,细化了共晶胞界的Ni2AlHf相,并使得部分Ni2AlHf相转变为Hf固溶体相。此外,强磁场处理使得Cr(Mo)相和NiAl基体之间形成了—富Cr的NiAl过渡层,并促使一些细小Cr(Mo)层片开始发生颈缩及球化变化。较高温度的强磁场处理改变了共晶合金内部的组织状态,首先是部分共晶胞被粗大的Cr(Mo)相所代替,即使存留的共晶胞,其内部的Cr(Mo)层片也发生了颈缩及球化等变化,且粗化的Cr(Mo)层片呈现出沿磁场排列的趋势,部分Ni2AlHf相存在于NiAl晶内。强磁场处理显著提高了合金的室温压缩性能,特别是室温压缩应变。