Ni-Si過共晶合金的定向凝固特性及性能研究.pdf

1、Ni-Si過共晶復合材料擁有異常的R效應（即隨其應用溫度的提升，強度不是連續(xù)下降，而是先增大再下降）、耐高溫氧化腐蝕以及金屬和陶瓷的雙重特性等特點。為了探討某一材料在較大組元成分區(qū)域內(nèi)的凝固規(guī)律，本文研究了不同凝固速率下的Ni-Si過共晶組織的凝固特性。
　　本文利用真空感應熔煉法制得了Ni-12wt％Si過共晶的母合金，并選用改進后的Bridgman定向凝固方法制得了不同凝固速率下的Ni-Si過共晶自生復合材料。利用金相顯微鏡、

2、X射線衍射儀和能譜儀等對Ni-Si過共晶材料在不同凝固速率時的組織形貌、相的析出性能以及各相的成分組成進行了討論；研究了Ni-Si過共晶復合材料的晶體生長機制；退火溫度對亞穩(wěn)相組織的影響以及Ni-Si過共晶組織間的位向關(guān)系；并檢測計算了Ni-Si過共晶合金的顯微硬度、彈性性質(zhì)以及室溫斷裂韌性等力學性能。
　　研究發(fā)現(xiàn)，Ni-Si過共晶定向凝固組織中的晶粒隨著凝固速率的增大越來越細小，層片間距也隨之呈縮短趨勢。未定向凝固時的組織因為

3、熱流方向呈各向同性而形成樹枝晶組織，在定向凝固初始階段時擇優(yōu)取向表現(xiàn)較弱，組織相對粗大；隨著熱流逐漸趨于穩(wěn)定，晶體沿最優(yōu)生長方向生長，組織相對細小且生長穩(wěn)定；淬火界面始終以平界面方式生長。Ni-Si過共晶組織包括基體α-Ni相、亞穩(wěn)Ni31Si12相和Ni-Ni3Si過共晶相三相。其中基體相呈非小平面相，亞穩(wěn)相以及過共晶相呈小平面相，Ni3Si相的組織以板條狀進行生長，而Ni31Si12相主要是以不規(guī)則的多邊形形貌生長。亞穩(wěn)相Ni31S

4、i12的存在使得Ni-Si過共晶合金的硬度增加，脆性增加，經(jīng)過不同溫度退火，對比后得出，在1100℃退火，保溫30min后獲得的顯微組織中亞穩(wěn)相Ni31Si12的含量顯著減少。不同凝固速率下的Ni-Si過共晶材料的位向關(guān)系是不同的。
　　有實驗所得結(jié)果可知，任一凝固速率下的Ni-Si過共晶材料的平均硬度值都比純的Ni3Si的硬度值大。通過不同種共晶方式得到的Ni-Ni3Si材料的硬度值由小到大依次為亞共晶、共晶、過共晶。已知單質(zhì)N

5、i的彈性模量為180.0GPa，使用第一性原理計算獲得Ni3Si的彈性模量為345.0GPa，理論上經(jīng)定向凝固后得到的組織的彈性變形量與純的Ni3Si相比會適量增加，當R=25μm/s時增加最多，脆性改善最明顯。與電弧熔煉后的試樣比較經(jīng)Bridgman定向凝固后材料的室溫斷裂韌性在R=6μm/s和9μm/s時有所增加，在R=25μm/s和40μm/s時，由于凝固速率大于一臨界速率，試樣在斷裂時的熱激活能被抑制，位錯會塞積在裂紋的尖端，使