高溫度梯度定向凝固NiAl-Cr(Mo)合金組織及力學性能.pdf

1、隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，人們對高溫結構材料的使用溫度和綜合力學性能的要求越來越高。金屬間化合物NiAl具有高熔點、低密度、高熱導率和優(yōu)異的抗氧化性等優(yōu)點，但室溫塑性差和高溫強度低限制了其實際應用。將定向凝固和復相強化技術結合起來制備NiAl基共晶自生復合材料是提高NiAl合金性能的有效方法。
　　本文采用高溫度梯度定向凝固技術，向 NiAl合金中添加不同含量的Cr、Mo元素，在NiAl-Cr(Mo)合金共晶到過共晶的大成分范圍內深

2、入分析了定向凝固工藝參數對相的生長和選擇機理、固/液界面形貌和凝固組織特征等的影響。同時探討了NiAl-Cr(Mo)合金凝固組織與力學性能的關系，分析了合金的強韌化機理。最終在定向凝固NiAl-Cr(Mo)過共晶合金中制備出含有大體積分數強化相、片層排列規(guī)則的全共晶組織，材料的室溫斷裂韌性和高溫拉伸強度均有明顯的提高。本文的主要研究結果如下：
　　定向凝固NiAl-xCr-6Mo（x=28、32、36）合金的凝固組織由片層狀的Ni

3、Al相和Cr(Mo)相組成。在各種定向凝固條件下，NiAl-28Cr-6Mo共晶合金和NiAl-32Cr-6Mo過共晶合金均能夠獲得全共晶組織；而NiAl-36Cr-6Mo過共晶合金只有在較低的抽拉速率下才能獲得全共晶組織，在較高抽拉速率下的凝固組織為Cr(Mo)枝晶+共晶組織。隨抽拉速率的提高，由于G/V值減小，且固/液界面前沿 Mo元素的富集加劇，共晶兩相生長界面失穩(wěn)。合金固/液界面形貌會經歷平界面→胞狀界面→樹枝狀界面的轉變，相應

4、的凝固組織也會由平界面共晶向胞狀共晶和枝狀共晶轉變。高溫度梯度能提高NiAl-Cr(Mo)合金的平/胞轉變速率和擴大共晶耦合生長區(qū)范圍，有助于在較高的抽拉速率下獲得規(guī)則全共晶凝固組織。在抽拉速率不太高時，NiAl-32Cr-6Mo過共晶合金在定向凝固初始階段有Cr(Mo)初生相產生，隨著定向凝固的進行，初生相數量逐漸減少直至被完全淘汰，最終獲得全共晶組織。但當抽拉速率進一步增大時，枝狀共晶相直接形核并長大。
　　在相同的過共晶成分

5、，即Cr+Mo元素總含量相同時，Cr、Mo元素的相對含量顯著影響合金的定向凝固組織形態(tài)。當Mo元素含量為2％時，平界面合金中出現了一些棒狀Cr(Mo)相，且合金的平/胞和胞/枝轉變速率均會增大。Mo元素含量的降低，能使合金生長界面前沿富集的Mo元素減少，界面穩(wěn)定性增強。
　　共晶片層間距λ隨抽拉速率V的增大逐漸減小。當溫度梯度為250 K/cm時，在NiAl-28Cr-6Mo合金中其關系符合λ=4.48V-0.40，而在NiAl-

6、32Cr-6Mo合金中其關系符合λ=4.82V-0.42。這表明J-H模型也適用于NiAl-Cr(Mo)多元共晶合金的胞狀和樹枝狀生長。隨偏離共晶成分程度的增大，合金中Cr(Mo)強化相體積分數越來越大。NiAl-28Cr-6Mo共晶合金中Cr(Mo)強化相體積分數約為48.4%，而NiAl-32Cr-6Mo和NiAl-36Cr-6Mo過共晶合金中分別為54.3%和59.1%。
　　當NiAl-Cr(Mo)合金以共晶胞狀生長時，胞

7、狀組織的形貌隨抽拉速率的變化不是線性的。在中間的某個抽拉速率下獲得了超細胞狀共晶組織。此時的胞間區(qū)域很小，胞界處無粗大的短片狀組織存在，胞內和胞界處的共晶片層厚度基本一致。計算發(fā)現，相對于粗胞狀生長時的共晶胞尖端過冷度，此時的胞尖端過冷度最小，界面穩(wěn)定性最高，合金以淺胞狀方式生長。
　　隨Cr(Mo)強化相體積分數的增大，定向凝固NiAl-Cr(Mo)合金的室溫斷裂韌性和高溫抗拉強度均逐漸提高。其最高值分別達到了26.15 MPa

8、·m1/2和513.8 MPa，明顯高于目前所有的NiAl-Cr(Mo)系合金。在相同的成分下，平界面共晶組織合金的性能高于粗胞狀共晶組織，但生長較好的胞狀共晶組織合金的斷裂韌性基本與平界面組織合金相當，高溫抗拉強度甚至比平界面組織合金要高。這是因為生長良好的胞狀共晶合金的胞界結合強度較高，提高了裂紋擴展阻力，同時共晶胞內和胞界的變形較為協(xié)調。這突破了胞狀共晶合金不適用于共晶自生復合材料的傳統(tǒng)觀念，同時也提高了實際的工業(yè)生產效率。

9、>　　室溫時定向凝固NiAl-Cr(Mo)合金表現為脆性偽解理斷裂，在試樣斷面上可見解理面、解理臺階和撕裂棱。裂紋橋接、裂紋偏轉、裂紋鈍化、裂紋再形核、界面剝離、剪切帶韌化和微裂紋連接等韌化機制均不同程度地提高了裂紋擴展阻力，對NiAl-Cr(Mo)共晶復合材料室溫斷裂韌性的提高作出了貢獻。在1000℃時，NiAl-Cr(Mo)合金基本表現為塑性斷裂，在斷面上可見許多韌窩。細化的共晶片層、大體積分數的Cr(Mo)強化相、共晶兩相中固溶的