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《大连理工大学》 2010年
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强磁场作用下镍系合金元素扩散行为研究

任晓  
【摘要】: 强磁场可以将强大的磁能量无接触地传递到材料的原子尺度,改变材料的热力学状态,影响原子和分子的排列、匹配、迁移等行为,由此对材料的组织和性能产生巨大而深刻的影响。扩散是材料学中最重要的基础科学问题之一,与相变过程和转变等密切相关。研究强磁场作用下元素扩散行为,有利于探索强磁场材料学新现象的物理本质,揭示过程的内禀机制,为制备新材料和开发新工艺奠定理论基础。 利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)等手段,系统研究了强磁场下Ni-Cu系和Ni-Al系原子间的扩散行为,及Cu-Ni-Cu扩散偶界面扩散诱导再结晶区(DIR区)形貌和生长,探讨强磁场影响元素扩散的机理。依据强磁场对Ni-Cu系和Ni-Al系元素扩散的影响规律,分析强磁场下镍基高温合金(K52)时效处理过程,深入研究了强磁场对其时效处理后显微组织和性能的影响,主要结果如下: 在强磁场作用下Ni-Cu系原子互扩散过程中,发现在Ni-Cu扩散偶经退火处理后,互扩散系数均随固溶体中Ni原子分数的增加而逐渐增大,但强磁场下扩散偶界面Ni-Cu固溶体的互扩散系数,以及Ni在Cu相中的渗透距离分别小于其在无磁场时相应的数值。表明强磁场抑制Ni-Cu系原子互扩散,其抑制作用主要通过降低频率因子而不是改变互扩散激活能来实现的。 强磁场下Ni-Cu扩散偶中DIR区的形貌特征与生长行为的研究结果表明,施加强磁场作用,与无磁场时的情况类似,扩散偶界面处形成了连续的DIR区,其厚度及再结晶晶粒尺寸随退火温度升高和保温时间延长而增大,但DIR区内再结晶晶粒小于无磁场时的晶粒尺寸;强磁场显著抑制DIR区的生长,并随磁感应强度的增加,其抑制作用增强,但DIR区的生长与磁场方向无依赖关系。强磁场抑制DIR区生长主要归因于:①强磁场下DIR区前端靠近可动边界侧Cu含量小于57at%带状合金化区域,其磁Gibbs自由能升高,不利用DIR区的生长,该区域也成为一个“阻挡层”,抑制整个DIR区向Ni相生长。②强磁场对Ni-Cu系原子互扩散和再结晶行为有抑制作用。 研究强磁场下Ni-Al扩散偶界面中间相的组成与生长,并利用双极扩散理论初步解释了强磁场抑制元素扩散的机理。强磁场不改变Ni-Al扩散偶界面中间相的组成,无论磁场是否存在,扩散偶界面均仅形成Ni2Al3和NiAl3相,其生长行为均符合抛物线规律,这说明两种中间相层的生长均受体扩散控制。强磁场显著抑制Ni2Al3和NiAl3相的生长,且与磁场方向有关。强磁场对中间相层生长的抑制作用主要来源于降低频率因子而不是改变互扩散激活能。 K52合金在强磁场下时效处理后二次γ’相的形貌发生显著改变,从球形转变为立方形,改变的趋势随磁感应强度增加而增强。这种改变一方面由于磁场导致γ/γ’间的点阵错配度增加;另一方面,弹性应变能与界面能间的竞争作用也是导致二次γ’相形貌发生改变的重要原因。同时,随磁感应强度增加二次γ’相内部的纳米析出相数量逐渐减少,直至消失。经强磁场下时效处理后K52合金的硬度下降。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG146.15

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【参考文献】
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