（材料学专业论文）nial的显微组织与压缩性能.pdf

中文摘要 论文题目：n i 。a 1 的显微组织与压缩性能 学科名称： 挝料堂 作者姓名：奎运蕴 作者( 签名) ：查垫煎 导师名称：差瞳丞教援 导, j r p ( 签名) ： 答辩日期：2 q q 2 3 摘要 研究了钮扣炉熔铸n i 。a 1 合金、真空炉熔铸和退火n i 。a 1 合金的显 微组织及压缩性能。采用x r d 、光镜、透射电镜和扫描电镜分析了合金 的相结构、组织及断1 2 1 特征，利用菊池线对分析了钮扣炉熔铸n i ，a 1 台 金的晶界特征分布。研究结果表明： ( 1 ) 钮扣炉熔铸的n i 。a l 合金中，存在大量的位错、层错。位错 结构的一个显著特点是：排列成小角度晶界的位错墙比较普遍，晶界 两侧的晶粒尚不能形成明显的取向差。n i ，a 1 中的扩展层错以 生i 1 2 + c s f + 1 1 1 2 1 为主。高密度位错的形成是超饱和空位和热应力的结 ou 果。 ( 2 ) 菊池线对分析表明：在多品n i 。a l 中，晶界以大角度晶界为 主。对于# i n b ，a l 。试样，横截面中小角度晶界所占的比例为1 6 7 ， 纵截面中小角度晶界所占的比例为4 1 7 ；对于# t - n i 。a 1 ：。试样，横 截面中小角度晶界所占的比例为1 2 5 ，纵截面中小角度晶界所占的比 例为3 7 5 。 ( 3 ) 压缩实验表明：随a l 含量的增加，合金的抗压强度o 。、屈 西安理工大学硕士学位论文 服强度。、压缩比e 均升高；材料的断裂模式由脆性j 下断向韧性切断 转变；均匀化退火使合金的屈服强度o 。升高，抗压强度o 。和压缩比 e 降低，合金的脆性增大。造成这些变化的主要原因有：随a 1 含量的 增加，小角度晶界所占的比例增大，合金的层错能升高，交滑移容易 进行。 ( 4 ) 关于颇有争议的n i _ a 1 二元相图，在本文实验的基础上，认 为相图5 2 具有较大的合理性：在1 3 8 2 3 。c ，液相与y 相( n i ) 发生 包晶反应生成y n i 。a l ；在l3 8 1 4 ，液相发生共晶反应生成 y n i ，a l 与b n i a i ；在1 3 7 8 。c 左右，y n j a l 相区的成分范围为 2 ： 5 2 3 8 8 a t 1 。 关键词： n i 3 a 1压缩实验 显微组织 n i a i 二元相图 晶界特征分布 荚文摘要 t o p i c ：n c r o s t r u c t u r ea n dc o r e s s i v e p r o p e r t yo fn i 3 a ia l l o y s a u t h o r ：l i ) 堑画坠 s p e c i a l t y ：b 4 ! 鳇! i 垦! s i 旦曼 s u p e r v i s o r ：q i 旦g 墨i 垒q 鱼垦n a b s t r a c t t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p r e s s i v ep r o p e r t yo f c a s tn i 3 a 1a l l o y sp r o d u c e db yb u t t o nf u r n a c ea n dv a c u u mi n d u c t i o nm e l t i n g c v i m ) f u r n a c e ，a sw e l la sa n n e a l e dn i 3 a 1p r o d u c e db yv i m t h ep h a s e s n l 】c n 盯e m i e r o s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co ff r a c t u r ew e r ea n a l y z e d b y m e a n so f x r a yd i f f r a c t i o n ，o p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t i o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dt r a n s i t i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) b ym e a n so fk i k u c h i c o u p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c d i s t r i b u t i o no fb o u n d a r i e si nc a s t n i 3 a 1a l l o y s p r o d u c e db yb u t t o nf l l r n a c ew a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h e r ew a sal o to fd i s l o c a t i o na n ds t a c k i n gf a u l t ( s f ) i nc a s tn i 3 a 1a l l o y s p r o d u c e db yb u t t o nf u r n a c e t h ed i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i co fd i s l o c a t i o nw a st h a t t h e r ew e r ea l l - p e r v a d i n gd i s l o c a t i o nw a l l sb u i l tu po fl o wa n g l eb o u n d a r i e s ( l a b ) t h a th a dn o tc l e a rr e l a t i v eo r i e n t a t i o n i nn i 3 a 1 ，s fw a sm o s t l y c o m p l e xs t a c k i n gf a u l t ( c s f ) p r o d u c e db ys h e a ro f ：t l q - 1 2 1a n d 1 6 1 2 1 】 h i g hd e n s i t yo fd i s l o c a t i o nw a st h er e s u l to fs u p e r s a t u r a t e dv o i d sa n dh e a t s t r e s s a n a l y s i so fr e l a t i v eo r i e u t a t i o nb yk i k u c h ic o u p l e ss h o w e dt h a tg r a i n b o u n d 捌e sw e r em o s t l yc o m p o s e do fh i g ha n g l eb o u n d a r i e s ( h a b ) f o r # 1 - n h 7 a 1 2 s3 ，t h ep e r c e n t a g ef o rl a bw a s16 7 i nt h e ( ：r o s ss e c t i o n s ，4 1 7i n i 西安理工大学硕士学位论文 t h ev e r t i c a ls e c t i o n s ；f o r # 1 - n i 7 6i a l 2 39 ，t h ep e r c e n t a g ef o rl a bw a s1 2 5a n d 3 7 5r e s p e c t i v e l y c o m p r e s s i o nt e s ts h o w e dt h a ty i e l ds t r e n g t h00 2a n dc o m p r e s s i o ns t r e n g t h o ba sw e l la sc o m p r e s s i o nr a t i o n i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n ga 1c o n t e n t s a t t h es a m et i m e ，f r a c t u r em o d ec h a n g e df r o mv e r t i c a lf r a c t u r et os h e a rf r a c t u r e a f t e rh o m o g e n i z i n go fn i 3 a i ，y i e l ds t r e n g t h00 , 2i n c r e a s e d ，a n dc o m p r e s s i o n s t r e n g t h 0 b a sw e l lc o m p r e s s i o nr a t i o n r e d u c e d b r i t t l e n e s so fn i 3 a 1 i n c r e a s e ds o m e w h a ta f t e rh o m o g e n i z i n gt h em a j o rc a u s ef o rt h e s ec h a n g e s w a st h a tt h ep e r c e n t a g ef o rl a bi n c r e a s e da n dc r o s ss l i pb e c a m ee a s i e ra sa r e s u ho fd e c r e a s i n gs t a c k i n ge n e r g yl 订曲i n c r e a s i n ga ic o n t e n t s w i t hr e g a r dt ot h ed i s p u t e dn i a it w o p h a s ed i a g r a m ，w et o o kf i g u r e5 - 2 f o rg r a n t e do nb a s i so fo u re x p e r i m e n t s i nt h ep e r i t e c t i cr e a c t i o n ，la n d 、7 p h a s e st r a n s f o r m e di n t o y - n i 3 a ia t1 3 8 2 3 ：i nt h ee u t e c t i cr e a c t i o n ，l t r a n s f o r m e di n t oy n i 3 a ia n db - n i a ia ti 3 8 i 4 a b o u t13 7 8 、 2 3 5 2 3 8 8 a t a 1v c a si nt h ey - n i 3 a ip h a s er e g i o n k e y w o r d s ： n i 3 a 1c o m p r e s s i o n t e s tn i - - a 1t w o - p h a s ed i a g r a m m i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i cd i s t r i b u t i o no fb o u n d a r i e s 前言 1 前言 固0 。a i 回啜o a 1 西安理工大学硕士学位论文 图卜2n i a 1 二元相图【2 】 偏离当量成分的n i 。a 1 主要形成反位原子点缺陷，即富n i ( a 1 ) 的 合金中，i i i ( a 1 ) 分别占据a 1 ( n j ) 的亚点阵位置。n i 。a 1 的面缺陷有反 相畴界( a p b ) 、复杂堆垛层错( c s f ) 和内禀型堆垛层错( s i s f ) ，面缺 陷能按e 。) e 。) e 。，变化。图卜3 是n i 。a 1 超位错的四种分解形 式。 工| i ? fi | | | | j a p b ( c ) jx l ，上j l ，一x x l c s f a p bs i s f a p bc s f ( b ) l 一1 s 1 s f ( d ) 圈卜3n i 。a 1 中 1 1 1 面上e i0 1 位错的分解形式1 1 与图卜3 ( a ) 对应的位错分解为： i 。1 + ii 2 + c s f + 【j 1 1 j ，a p b + 扣。 _ c 汁，j m ，) 与图1 - 3 ( b ) 对应的位错分解为 l x 虾 j 箸 l f州 j 前言 i 0 1 - - 1e ii 2 + c s f + = 1 j1 1 + a p b + 了1 i 2 i + s i s f 0u 0 + 1 2 1 “p b + 1 1 2 + c s f + 2 1 1 ( 1 - 2 ) o0o 与图卜3 ( c ) 对应的位错分解为 一 11 一 1 0 l 】一 1 0 1 + a p b + 寺 1 0 l 】 ( 卜3 ) 上 与图卜4 ( d ) 对应的位错分解为 1 0 1 一三 2 1 1 + s i s f + 1 l2 ( 卜4 ) jj 研究发现，从能量角度出发( 1 2 ) 式的分解不可能发生( 卜4 ) 发 生的条件是 i 1 1 ) 面上a p b 能特别高，而n i 止l 及其合金的a p b 能量还未 能达到如此要求，因此这种分解不可能发生。( 卜1 ) 和( 卜3 ) 是n i ，a 1 最常见的分解方式。( 卜3 ) 所示的反应既可以发生在 1 1 1 ) 面上，也可以 发生在 0 0 1 ) 面上，由于 0 0 1 ) 面上的a p b 能低于 1 1 1 ) 面上的， 儿1 ) 面 上的1 2 1 1 0 1 会交滑移到( 0 0 1 ) 面上( 从这一点来看，有序点阵中的交滑 移与无序点阵中的有所不同) 。 1 1 2n i 3 a 1 力学性能的研究 a n i ， l 的反常强化和变形机制 n i 3 a l 合金的个显著特点是强度从室温开始反常增加，到一峰值温 度后下降，强度和峰值温度t p 强烈地依赖于晶体方位。这种反常强化行 为与 超点阵位错的特殊滑移密切相关。由于n i 姐lf 0 0 1 面的a p b 能低于 1 1 1 ) 面的，位错易于在 0 0 1 ) 面上分解，但低温下 0 0 1 ) 面上分解 的位错的非弹性位移不能在 0 0 1 面上扩展，并且被限制在某个沿位错线 交叉的 1 1 1 ) 面上，形成k - w 锁。而 1 l l 面的位错具有平面核心结构。 可以分解成两个重叠的易于在 l l l 面上滑动的s h o c k l e y 分位错。当t t 。时交滑移被激活，强度下降。 研究表明，a l 含量、固溶原子、晶粒大小均对o ；有影响：亚当量合 西安理工大学硕士学位论文 金的o ；较低；固溶原子除c r 外均使反常现象增强。 b n i 。a i 的疲劳性能“ 单晶n i n l 的疲劳寿命在室温至8 0 0 保持不变。室温下，流变应力 与所加应力方向有关：当应力轴接近 0 0 1 时，拉伸条件下的临界分切应 力大于压缩条件下的临界分切应力，而当应力轴接近 0 1 1 和 1 0 1 时， 其结果相反。拉、压条件下单晶n i ，a l 流变应力的非对称性使其具有特殊 的循环硬化特征。随循环应变增加，达饱和后拉、压循环应力的差值和 循环硬化的作用均增强。7 0 0 。c 以上，循环拉应力总是大于循环压应力， 而与晶粒的取向无关。 疲劳裂纹在多晶n i 。a l 合金的晶界处形核并扩展，裂纹扩展速率比许 多高温合金的低并具有环境效应。断裂方式在空气中为穿晶和沿晶混合 断，真空下为穿晶断裂。加适量的c r 可以改善环境效应。 1 1 3n i 。a 1 塑韧性的研究 二元多晶n i 担1 在它能稳定存在的所有成分范围内都很脆，断裂方式 与a l 含量无关，几乎都是沿晶断裂。提高n i 。a 1 的塑韧性或改变其断裂 方式是研究者的目标。常用的方法是合金化，表卜1 归纳了合金元素对 n i 。pl 室温塑韧性的影响。 a 合金化 适量的b 可显著提高亚当量n i n l 的塑性。研究者从不同的角度来解 释b 的作用“1 ：b a k e r 等人认为在亚当量的合金中，n i 和b 在晶界处的 共同偏聚使这些晶界处于无序态，这种无序态引起塑性的增加，当a l 含 量超过2 5 a t 后，晶界处长程有序态恢复，晶界重新变脆； l u l l a r 和 s u b r a m a i n 从电子角度出发证明了亚当量n i 。a 1 的晶界富n i ，无b 的n i 。a 1 晶界上，n i 的d 电子与a l 的s 电子杂交较少，n i 的d 电子带较窄，因 而结合较弱，含b 的晶界上，n i 的d 电子带宽化，晶界结合能提高； 李 志强“1 等人用原子探针场离子显微镜研究了b 对n i 。a i 的有序度的影响， 前言 发现b 的添加会影响n i ，a l 的择优取向随b 含量增加，n i ，a 1 中占据 反位的a 1 原子增多，有序度降低，他们认为有序度的降低是b 改善n i n l 室温塑性的原因之一；w a n 、g e o r a g e 和c h e n g 提出了b 在晶界的偏 聚增加了h 进入晶界的难度，降低了h 沿晶界的扩散速率，抑制了环境 脆性从而提高了塑性的理论。 c 的添加不能提高n i ，a l 的塑性i * 5j o b e 可使n i n l 的室温塑性提高了大约6 9 j 。 表卜1 合金元素对n i ，a 1 台金室温塑性及断裂行为的影响”1 表卜2 给出了置换原子在n i n l 中的位置。研究者发现z r 、h f 、v 、 n b 、u o 、w 、c o 、p d 、c u 、c r 、m n 和f e 可以提高n i 出l 的塑性，其中c r 能有效地降低中温脆性，但对于m n 、f e 、c r 的作用是不是发生在单相合 金中尚无定论。 t a k a s u g i “”等人提出的原子价态模型( 与n i 键合方式相同的元素 抑制脆性，与n i 键合方式不同的元素对塑性没有贡献) ，t a u b 和b r i a n t 的电负性模型“( 溶质的电负性越大从晶界处吸引电子的能力就越强， 西安理工大学硕士擘住论文 晶界结合强度下降的就越大，裂纹就越易于沿晶扩展) 都可以成功地解 释n i 。x ( x = a l ，s i ，g e ，6 a ) 的试验数据，但不能解释n i _ a 1 - m n 和n i a 卜f e 三元系中可能存在的第二相对延伸率的影响。 表卜2 置换原子在n i 3 a 1 中的位置“2 。”1 置换原子 n i 的位置 a l 的位置 n i 和a 1 的位置 c oc up d sls b s nl , l owt avg e g az rn b z nt i f ec rm nf f f 附注： 表明对于该原子所处的位置尚有争议 b 温度和环境的影响 n i 3 a l 单、多晶的延伸率随温度的升高均呈下降趋势。 n i 3 a 1 在大气中出现两次塑性低谷，一次在室温，一次在5 0 0 c 左右。 室温脆性是由水汽中的氢原子引起的。g e 。r a g e m l 等人报道了多晶k i 。a 1 合金的室温延伸率在氧气中为4 8 - 5 1 ，在空气中迅速下降到1 】- 1 3 ，在 水蒸汽中为6 9 。他们认为a l 是活性元素，易和水汽优先发生触媒反应 2 a l + 3 h 。o a 1 ：0 3 + 6 h 或a t * 3 h 。0 - - a 1 ( o h ) 。+ 3 h( 卜5 ) 生成的h 沿晶界渗透，引起脆性沿晶裂纹扩展及断裂。而中温脆性则是 大气中的氧诱导引起的晶间脆化。 c 晶粒尺寸的影晌 温度低于7 0 0 ，n i 扭1 的塑性和断裂方式几乎不受晶粒尺寸的影响。 在较高温度出现沿晶断裂，并且逐渐占主导地位，但在8 0 0 c 以上，细晶 材料的塑性还是相当的高。 k i m 5 1 等人认为晶粒尺寸越大，三叉晶处的应力越集中，应力的集 中束缚了晶界的滑移，基体来不及产生较大的应变，于是发生了沿晶断 裂。而对于细小晶粒，应力集中不严重，基体会产生大量的滑移，表现 出较高的塑性。 前言 1 - 1 4n i 3 a l 晶界的研究 a 晶界对材料性甏的影响 晶界在以下三个方面对材料性能有影响”： ( 1 ) 晶界结构：晶界结构复杂，多种多样，所以晶界性质也各不相 同。小角晶界与大角晶界性质不同，大角晶界中的孪晶界与紊乱晶界性 质不同。晶界上的空位、间隙原子、偏聚等缺陷都会导致晶界性质发生 变化。 ( 2 ) 晶界几何形状：对于一颗晶粒的晶界面而言，晶界是三维空间 面，几何形状复杂，存在弯折和台阶。晶界形状对材料性能有直接影响， 例如晶界位向相同方向角不同时，晶界能以及晶界受腐蚀的情况将发生 很大的变化。 ( 3 ) 晶界位向：晶界位向取决于相邻晶粒的取向差，用具有不同位 向的两颗晶粒进行试验，结果表明，晶界滑移、腐蚀、沿晶断、偏聚的 程度显著不同。 研究晶界的最终目的是找出晶界与材料性能之间的关系，从而实现 控制晶界、设计晶界，按照人们所希望的晶界，设计与制造材料，为实 现成分、组织及性能的定量设计创造条件。 b n i 。a l 晶界的研究 特征化晶界的一个较为简便的方法就是c s l ( 重合位置点阵) 法。在 c s l 中，两晶粒位向用n 来表示。1 n 是重合阵点在c s l 中的比例。c s l 的描述提供了晶界相对位向的有用信息，它不涉及晶界面，因此这种描 述是不完全的。但绝大多数的研究者都采用该方法，并且尝试把材料的 性能同n 联系起来。 第一个进行实验寻找n 和断裂趋势之间的关系的是h a n a d a 等人， 他们发现：在断裂的界面上，裂纹避开1 ( 在c s l 中，1 表示两晶粒 阵点完全重合。如果两晶粒阵点完全重合则两晶粒合二为一，这种情 况在实际的多晶体中并不存在，因此在晶界研究中，常把小角度晶界定 西安理工大学硕士学住论文 义为e l 晶界) 和3 晶界( 位向差为7 0 5 3 。的( 1 1 1 ) 孪晶界) 。然而 他们测试的晶界数目不多，不具有统计学意义。l i n 和p o p e “7 1 随后测试 了含有少量t a 的n i 。a l 晶界，发现在裂纹穿过的晶界中，1 和e3 所占 的比例较小。之后他们对试样进行了流体静压拉伸实验，也得到相同的 结果。基于以上结论，研究者把n i 3 a l 的晶界分成了两类：l 和e3 为 强晶界，其余的为弱晶界。同时，研究者致力于探讨e n 分布和材料塑性 性能之间的关系。表卜3 给出了迄今为止的研究结果。 表卜3 处理工艺、晶界特征、测试环境对n i 。a l 拉伸延伸率的影响“8 从表中可以看出，l + 3 的百分比和材料的处理方式相关。随着 1 + 3 百分比的增大，n i 。a l 的内在塑性增大( 成分上的变化也可能引 起塑性增大) 。当量成分对合金性能的影响，尽管进行了很多的研究( 也 存在着很大的争议) ，但目前理解得还远远不够。 1 - 1 _ 5n i 。a 1 的脆性本质 a 本征脆性 n i ，a l 是基于f c ，c 结构的l l ! 型金属间化合物，从面心立方特有的 8 前言 滑移系 ( 1 1 1 ) 来看，它本应具有较好的塑性，而实验结果表明： 室温下n i 3 a l 常发生沿晶脆断，断裂延伸率6 仅为2 。断裂试样的晶界 面比较干净，有害杂质不发生偏聚或偏聚量很少，因此n i 。a 1 似乎具有本 征脆性。 关于n i 3 a l 本征脆性的成因，研究者从不同的角度提出了不同的解 释，较有说服力的有： ( 1 ) 在n i 3 a l 中，第一近邻的n i - a l 原子间形成了方向性较强的共 价键。共价键在受力移动时，键合受到削弱的主要原因是原子间距离的 变化和原子间相对取向的不匹配。对于单晶n i 。a l 的塑性，可以解释为： 单晶体n i a l 原子间的键合包含共价键成分和金属链成分，形变过程中尽 管共价键受到了很大的削弱，但仍然存在金属键维持原子间的相互作用 力，因此表现出较好的塑性。而对于多晶体，在晶界区域由于各种缺陷 的存在而使金属键成为维持材料结合的来源，原子的不规则排列无法满 足共价键对原子间距离和取向的要求，共价键强度受到极大的削弱，因 而导致较小的结合力。 ( 2 ) 室温下交滑移实现的可能性小，滑移的不均匀性大。对于一般 的f c c 金属而言，s h o c k l e y 位错不会限制在原滑移面，会通过束集的 方式发生交滑移( 交滑移发生在 1 1 1 ) 面上) 。n i 3 a 1 按照式( 1 - 1 ) 分解 生成s h o c k l e y 位错，在变形过程中，部分s h o c k l e y 位错发生束集生成 1 2 1 0 1 位错，1 2 10 1 位错交滑移到( 0 1 0 ) 面上后会重新分解，但这 种分解不是在( 0 1 0 ) 面上，而是在( 1 1 1 ) 面。由于 0 1 0 ) 面a p b 的能 量低于( 1 1 1 ) 面a p b 的能量，因此，从能量上( 1 1 1 ) 向( 0 1 0 ) 面上交 滑移相对容易，而从( 0 1 0 ) 交滑移到( 1 1 1 ) 就比较困难，但同时应考 虑到位错的心核结构( 低温下 0 1 0 ) 面上分解的位错的非弹性位移不能在 该面上扩展，而 1 1 1 ) 面上的位错具有平面心核结构) 。能量和位错心核 结构的共同作用使室温下n i a l 交滑移的可行性较差。在原滑移面上的 s h o c k l e y 位错运动到障碍处( 如晶界) 发生塞积，当塞积群引起的应力 9 西安理工大学硕士学住论文 集中等于原子键合力时，应力促使了微裂纹形核。在考虑滑移可能性的 同时还应考虑滑移的均匀性，如果滑移不均匀( 形变集中在少数较粗的 滑移带内) ，形变集中引起的局部应力集中同样也会使微裂纹形核。 ( 3 ) 晶界两侧晶粒的错配使晶界处形成周期性的柱状空穴，这些柱 状空穴可毗作为微裂纹形核的位置。 上述的各种理论都可以解释n i ，a l 的室温脆性，但是无法解释和 n i 。a l 具有相同晶体结构、类似力学性能的z r 擅l 的本征塑性( 室温下延 伸率6 约为3 0 ) ，因此，相当一部分研究者认为n i 。a 1 的室温脆性和测 试环境密切相关。 b 环境脆性 评估环境脆性的关键是要测试缺陷尽可能少的试样，以排除显微裂 纹等缺陷对实验数据的影响。传统方法制成的n i 扭l 不可避免地存在着显 微裂纹，因此，和f e a l 相比，关于环境对n i 。a 1 室温塑性不利影响的研 究工作进行的较为缓慢，直到1 9 9 2 年才取得突破性的进展。g e o r g e 等 人通过冷加工变形和再结晶单晶n i n l 的方法获得了缺陷相对少的 n i 。a 1 ：。多晶试样，室温下进行拉伸实验，发现：大气中的延伸率6 为 3 ，氧气中的6 为1 6 ，1 0 “p a 真空中的6 为2 3 。由此他们认为n i 。a l 的内在塑性很好，是水汽诱发的环境脆性使n i 3 a l 的6 值偏低。水汽与合 金按( 卜j ) 式发生反应，在形变过程中，裂纹尖端反应生成的原子氢进 入金属，促使裂纹扩展，引起合金脆化。此理论能圆满地解释以下现象“”： 应变速率强烈影响合金的塑性变形能力( 应变速率大时，延伸率增加) 。 即在低应变速率下，水汽以及和水汽致脆相关的反应速度( 水汽的表面 吸附，氢原子的生成，氢沿裂纹尖端的扩散等) 与裂纹的生长速度保持 同步，因此6 值的大小不是由致脆反应动力学控制，而是由环境中水汽 的含量控制。随应变速率的增大，氢原子的扩散速度跟不上裂纹的扩展 速度，材料的塑性显著增加。 关于氢脆的微观机理很多，适用于金属问化合物环境脆性的有晶格 脆化理论、氢与位错的交互作用理论“。品格脆化理论的要点是当氢溶 入过渡金属后，由于过渡族元素的3 d 电子层未填满，氢原子的电子进入 3 d 电子层，使该层电子密度增加，从而增加了原子间的排斥力，降低晶 格的结合力，使金属变脆。在l l ，型的n i 以1 中，氢更容易偏聚在晶界， 从而使晶界结合力降低，造成沿晶断裂。氢与位错的交互作用理论是一 成熟的理论，其要点是：含氢合金在形变过程中可能形成柯垂耳气团， 合金在外力的作用下不断产生新的位错，这些位错同样被氢原子长满而 形成新的氢气团。当在外力作用下移动着的位错及氢气团运动到晶界或 其它障碍物时，在产生位错塞积的同时，造成了氢在晶界或解理面处的 富集，位错塞积的端部形成较大的应力集中，从而形成裂纹。富集的氢 原子不仅使裂纹容易形成，而且使裂纹更容易扩展，最后造成脆性断裂。 1 1 6n i 擅1 工程化合金及其应用 a 1 c 系列合金 i c 是金属问化合物“i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ”的英文缩写。美国 把以n i 出l 为基，添加b 、c r 和h f 、z r 、m o 等合金强化元素的系列合金 称为i c 合金。常见的i c 合金牌号有：m ) 【一2 4 6 ，i c 一2 2 1 ) a ，i c 一3 9 6 m ， i c - - 5 0 ，i c - 2 1 8 等。除i c 一5 0 为单相合金外，大多数i c 合金为y + _ r 7 两相合金，y 相的体积比约占1 0 一1 5 。 i c 合金的主要应用领域有： ( 1 ) 广泛用做高温加热炉中的紧固件、炉底板、托盘、导轨等。 ( 2 ) 广泛用做锻模和锻模嵌块。 ( 3 ) 在水力发电动力系统中作为水汽轮机上的零部件和外壳材料， 表现出优异的抗汽蚀性能。 ( 4 ) 在有色金属制造业中，i c 合金是一种很好的模具材料，广泛用 做有色金属铸造用的金属型模子，耐急热急冷性好，大大提高了金属型 模子的寿命。 西安理工大学硕士学住论文 b n i 。a i 基合金应用前景展望 n i ，a l 基合金的主要应用前景有： ( 1 ) n i 。a 1 基高温结构材料：其中包括n i 担1 基抗烧蚀材料、n i 出l 基抗汽蚀材料、n i 擅1 基高温耐磨材料等 ( 2 ) h i 。a i 基复合材料 2 0 - z 2 ： 虽然n i 。a l 基合金接近熔点时的强度比通常的镍基高温合金要高三 倍以上，但仍远低于难熔合金的高温强度及实际应用要求。然而其良好 的抗氧化性、轻比重、较好的工艺性能和低成本，吸引了众多的研究者 试图通过n i 。a l 基复合材料的研究来开发一类新型高温结构材料。另一方 面，研究者想利用n i 3 a l 在6 0 0 _ 二8 0 0 温度区间强度出现峰值的特点， 开发n i 。a l 基的高强、耐磨、抗氧化型复合材料。 研究表明采用常规的粉末冶金工艺可以得到致密的n i 。a 1 基硬质合 金，并有很好的力学性能和化学稳定性，在应用工艺性能方面，较差的 焊接性能成为这种复合材料应用的最大障碍。 1 1 7n i 。a 1 基合金生产工艺 总的来看，n i 扭1 基合金的应用远未达到所期望的水平，这除了与它 的工艺性能差有关外，对n i 3 a ! 基合金冶炼和铸造等工艺缺少完整和系统 的认识也限制了它的商业应用。 n i 3 a l 合金具有以下特点：( 1 ) 铝元素和其它台金元素的熔点有较大 的差别：( 2 ) n i 3 a 1 在形成过程中发生强烈的放热反应，使熔池温度有很 大的攀升；( 3 j 所形成的n i ，a 1 有很高的熔点；( 4 ) 在熔炼温度下，合金 元素比较活泼：易与坩锅反应而侵蚀坩锅。另外，在大气中熔炼时元素 易氧化，而在真空下熔炼又易挥发。因此，在选择n i a l 基合金的冶炼方 法时，须兼顾工艺的可行性、稳定性和经济因素。通常采用的冶炼方法 有：真空感应熔炼( v i m ) ，非真空感应熔炼( a i m ) ，真空电弧冶炼，电 弧重熔( e s r ) ，电子束熔炼等。相比较而言，非真空感应熔炼和电弧重 前言 熔能提供冶金优异的合金，真空感应熔炼工艺比较经济便于商业化推广。 a 真空熔炼“1 感应熔炼n i 止1 基合金所需的原材料包括纯金属、金属的中间合金和 n i 3 a l 合金的返回料。纯金属原材一般选用一级或a 级料，保证元素的含 量大于9 9 ，其它元素的含量小于1 。 到目前为止，感应熔炼方法有两种：一种是传统的感应熔炼，一种 是s o r m ( s e l e c tg e n e r a t i 0 1 3r e a c t i o hm e l t i n g ) 。 传统的感应熔炼n j ，a l 的方法是将纯铝块投入到镍熔池中，形成金属 间化合物的反应式为： 3 n i ( l ) + a 1 ( l ) - - n i 止l( 1 6 ) 最终产物是液态n i 3 a 1 。合成n i 出l 的反应伴随着大量的热量释放，熔池 温度由反应前的1 6 0 0 迅速升至2 3 0 0 - | c ，整个放热过程维持大约1 5 秒。 熔池的温度稳定在2 1 4 0 x ) ，伴随整个放热反应有强烈的金属元素挥发现 象。 s g r m 的特点是在冶炼过程中控制镍和铝的化合反应，最大限度地利 用反应热来加热物料，最终实现快速冶炼n i n l 基合金。s g r m 法的工艺 特点集中表现在装料上。它将铝全部置于顶层，这一层中的镍与铝的原 子比为1 ：1 。第二层放置各合金元素，底层放置余下的镍。感应熔炼n i ，a i 的物理冶金过程分为：第一步全部物料加热到铝的熔点温度并使铝熔化； 第二步液态铝与顶层的镍发生放热反应生成n i a i ，靠反应的生成热熔化 的液滴在重力的作用下与坩锅中部的合金元素相接触，合金元素向n i a i 液滴中熔解生成n i a l 合金；最后n i a l 合金在坩锅底部与n i 进行化合反 应生成n i 出1 合金。与传统的n i 。a 1 冶炼工艺相比，s g 蹦法冶炼能耗可减 少4 5 以上，另外还具有高的合金元素利用率和较长的坩锅寿命。 b 非真空感应熔炼( i _ ) 与真空感应熔炼一样，n i ，a 1 合金的非真空感应熔炼采用s g r m 装料 工艺。而与真空感应熔炼不同，非真空感应熔炼对炉料有特殊的要求， 西安理工大学硕士学位论文 其中要求电解镍板使用前进行中温退火处理，以去除镍板中的氢气。另 外，a i m 冶炼法还要求n i 。a l 中的难熔金属和活泼金属类的合金元素先冶 炼成低熔点的中间合金，并以中间合金的形态加入炉料。 c n i 。a i 基合金铸造工艺及技术 ( 1 ) 凝固特征 合金的凝固特征直接影响铸件的补缩能力。高温合金的凝固特征通 常有锲形度块来评定。研究表明，、i ：、a i 基合金具有较好的凝固特征。 ( 2 ) 热裂倾向性 合金的热裂倾向性也是衡量合金铸造性能的重要指标。n i 3 a l 基合金 有比较强的热裂倾向性，热裂纹可分为铸件表面急冷微裂纹和凝固过程 中产生的热裂纹。急冷微裂纹多产生于大气熔炼的n i 。a l 合金中，它以网 状分布在厚大铸件的表面。急冷微裂纹主要是由元素的氧化引起的，常 与铸件表面的氧化皮共生，深度浅，轻轻打磨即可消去。 铸件凝固热裂纹的成因是多方面的，其中n i 。a l 基合金的热塑性能是 一个重要因素。存在热应力时，n i ，a l 铸件易产生热裂纹。 ( 3 ) n i ，a 1 基合金的流动性 和传统的铸造高温合金相比，n i ，a l 基合金的流动性相对较差，这是 因为在k i 。a l 合金中含有比高温合金高得多的a l 和少量的高熔点杂质元 素z r 。无论是大气熔铸还是真空熔铸，在浇铸充型过程中，都不可避免 发生锆、铝的氧化，氧化产生的z r o ：和a 17 0 ，的熔点分别是2 6 8 0 和2 0 5 0 。合金熔液中存在高温点的夹杂后，过热度相对下降，从而流动性降 低。另一方面氧化物在合金熔液中以膜状覆盖在熔液的流头上，熔液向 前流动需要冲破这层氧化膜。即氧化膜的出现增加了合金熔液流动的阻 力，降低了熔液的流动性。 1 1 8n i 。a 1 基合金研究的焦点 经过2 0 多年的研究与发展，n i 。a j 基合金已达到较高的性能水平和 前言 较满意的综合性能，已成为一种实用的工程材料j 但由于其高温强度和 持久性能显著低于目前广泛使用的高温合金材料，因而难于取代传统的 高温合金。但n i 3 a 1 具有一些良好的特殊性能在某些领域有一定的应 用前景，有待进一步开发和研究的工作有”： ( 1 )室温和高温固溶强化机理的研究； ( 2 ) 合金当量成分对潮湿诱导氢脆和晶界结合力的影响： ( 3 )高温氧化环境中n i 。a l 单晶合金的环境脆性： ( 4 )晶界滑移和超塑性变形； ( 5 ) 微量添加剂对蠕变抗力和热塑性成型的影响： ( 6 )反应合成的“净终成型”工艺研究； ( 7 )了解i c 合金中的凝固过程和空穴形成； ( 8 )发展供宇航业使用的高强度单晶和定向柱晶n i 3 a l 合金； ( 9 ) n i 出1 基复合材料的研究和开发。 1 2 课题研究的目的 对于结构材料，人们希望通过合适的制造方法及热处理工艺得到优 异的综合性能。但对于金属间化合物n i 小l ，在获得高强度的同时，很难 获得高塑性。近几十年来，低塑性尤其是室温脆性一直是研究者关注的 焦点，对n i 3 a 1 室温塑性的研究大多集中在合金化方面，采用的测试方法 以拉伸实验为主。 合金元素的加入势必会改变晶界的化学成分，这不利于揭示晶界的 脆性本质。另外，对于不含其它元素的纯n i 小l ，室温下的拉伸延伸率很 低，很难得到真正意义上的拉伸曲线。鉴于此，本课题在不添加其它元 素的情况下，通过室温下的压缩实验研究了n i 3 a 1 的压缩性能及其晶界分 布特征，以期揭示n i 3 a 1 组织结构、晶界分布特征和塑性性能之间的关系。 1 3 本课题的主要技术路线 结合现有的实验条件，规划了本课题的主要任务，具体内容如下： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 磁控钨极电弧炉及真空感应熔炼炉制备k i 扭1 合金 ( 2 ) n i ，a l 合金均匀化退火； ( 3 ) 合金晶界特征分析： ( 4 ) 室温下铸态合金、退火态合金压缩性能的研究； ( 5 ) 显微组织、晶界分布特征与铸态性能的关系。 本课题研究的技术路线，见图t - 4 。 图卜4 本研究技术路线示意图 实验方法 2 实验方法 2 1 实验用材料、合金熔炼及均匀化退火 2 1 1 实验用材料 实验用的原料为： 电解镍板：纯度为9 9 9 9 电解铝锭：纯度为9 9 9 2 1 2 合金熔炼 合金熔炼的装置有两个，一个是磁控钨极电弧炉和点滴成棒装置， 用该装置制取了两种成分的合金t 一个是真空感应熔炼炉，用该装置制 取了三种成分的合金。合金的成分及配比见表2 1 。 表2 - 1n i 3 a i 合金配比成分 熔炼前的成分配比所期望的成分配比熔炼后的成分配比 熔炼装置 合金编号 h i ：a i ( 原子比)n i ：a i ( 原子比)n i ：a i ( 原于比) 磁控钨极电弧 7 4 5 ：2 5 57 5 ：2 57 4 7 ：2 5 3# 1 一n i t 1 l2 53 护( 钮扣炉) 7 5 5 ：2 4 57 6 ：2 47 6 1 ：2 39 # 1 - n i ， 1 。 7 2 6 9 ：2 7 3 i7 4 ：2 67 4 3 ：2 57 # 2 a n i ，a 】25 真空感应 7 3 7 5 ：2 6 2 57 5 ：2 57 4 7 ：2 5 3 # 2 a n i “7 12 ， 熔炼炉 7 4 7 9 ：2 5 2 07 6 ：2 47 6 2 ：2 38 # 2 a n i ”： 1 。 a 磁控钨极电弧炉熔炼 磁控钨极电弧炉又称钮扣炉，它通过施加电磁场的方法控制电弧束。 由于可以重复点弧熔炼，拨叉方便拨转，所以易于得到成分均匀的合金 小铸锭。 该装置的主要技术参数有： 真空度：6 6 x 1 0 。p a工作电流：7 0 0 8 0 0 a 西安理工大学硕士学位论文 将钮扣炉制得的铸锭放于点滴成棒装置中，在其中熔化后，滴铸于 紫铜铸型中( 铸型的形状如图2 - 1 所示) ，最后得到巾1 0 x 1 0 0 m m 的圆棒。 b 真空感应熔炼炉熔炼 真空感应熔炼炉采用中频感应加热，它的主要技术参数为： 设备型号：z g 儿0 o 卜4 0 - 4 极限真空度：6 ，6 7 1 0 3 p a额定温度：1 6 0 0 额定功率：4 0 k w变频：4 k h z 将配置好的原料放于三高石墨坩埚中，将紫铜铸型( 铸型形状见 图2 - 2 ) 置于坩埚下方适当位置以便于浇铸。 在真空度为2 0 1 0 4 p a 时，加热熔炼，待原料完全熔化并混合均匀 后浇铸，随炉冷至室温，最后得到中1 6 x 1 2 0 m m 铸态多晶