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《河南理工大学》 2017年
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快速凝固Ni-Sc金属间化合物的组织与性能

陈昊  
【摘要】:近年来,金属间化合物被认为是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料,越来越受到材料界的重视和青睐。NiSc是具有B_2结构的金属间化合物,而对于过冷B_2组织演化和组织与韧塑性的相关性尚无研究,对B_2快速凝固机制、组织演化与韧塑性之间的关系缺乏认识,更没有韧性B_2化合物非平衡凝固方面的研究工作。本文采用实验研究和理论计算分析相结合的方法,探索不同过冷条件下B_2制备机理,分析其组织演化规律。在组织研究基础上,通过分析和测试材料的力学性能,并用第一性原理计算其物理特性,揭示B_2-NiSc的本征性能。研究表明,在急冷快速凝固条件下获得均质单相B_2-NiSc组织概率很低,因Sc含量的损失,枝晶间出现了(Ni_2Sc+NiSc)_(共晶)组织。随着溶质含量的增大,合金进一步接近单相组织B_2-NiSc,但仍然有微量第二相Ni_2Sc存在。吸铸尺寸或薄板试样厚度对冷却速率和Ni-Sc合金的组织有很大影响。吸铸尺寸或薄板厚度越小,冷却速率越大,得到的组织越细小,共晶组织也越少。急冷快速凝固组织经均匀化热处理后,因固态扩散,枝晶形貌消失,组织发生聚集形成了新的晶粒。凝固速率对热处理组织有显著影响,合金直径或薄板厚度越小,冷却速率越大,粒化越明显。对薄板厚度为2.50 mm的Ni-50%Sc(为at%,后同)合金进行940℃/3~15d不同时间的热处理后发现,随着热处理时间的增加,分散在基体中的Ni_2Sc相开始变得更加扩散和逐渐增加,体积分数首先下降,然后增加;Ni-50%Sc合金的拉伸强度和硬度首先增加然后降低,最佳处理温度为940℃/9 d,抗拉强度和硬度分别达到了131.85 MPa和63.26 HRC。根据杰克逊界面理论,B_2-NiSc金属间化合物枝晶方式生长表现为非小平面特性,这与实验观察到的组织照片相一致。采用高真空封闭坩埚结合熔融玻璃净化法使得Ni-50%Sc合金获得了ΔT=170K的深过冷。这样的过冷度可以改变其生长模式,但是不能发生完全溶质截留,无法抑制第二相的生成。ΔT=110K时过冷组织为B_2-NiSc+(Ni_2Sc+NiSc)_(共晶),共晶组织分布在最后凝固的枝晶臂根部或枝晶之间。ΔT=170K时的过冷组织开始有粒化的趋势,但是还有中等过冷区间定向凝固的痕迹,ΔT=170 K是对应固溶体类合金的二次粒化的临界过冷度ΔT_2~*,组织中仍然存在分散的离异共晶形态的第二相。深过冷快速凝固Ni-50%Sc合金,因为高度活泼的Sc,无法获得单相B_2-NiSc金属间化合物,在获得的ΔT≤170 K过冷度范围内,凝固组织为B_2-NiSc+(Ni_2Sc+NiSc)_(共晶)。高温真空条件下,ΔT=170 K的Ni-50%Sc合金具有非常好的塑性变形能力。沿着轧制方向的屈服强度、强度和塑性较低,其值约为垂直于轧制方向的70%。晶界以及晶界上的第二相对材料的性能影响较大。试样变形过程中,变形主要通过晶界的转动和移动及晶粒内部的滑移而进行,大量的晶内滑移带和滑移台阶表明,具有B_2结构的NiSc具有很好的塑性。根据BCT模型计算,在获得深过冷ΔT=170K的范围内,金属间化合物生长过程中,动力学过冷是最为主要的控制环节,而溶质扩散是控制生长的第二主要因素,揭示了金属间化合物过冷生长与固溶体合金的主要区别。随着过冷度ΔT的增大,枝晶生长速度增大,枝晶尖端半径R骤然减小。ΔT_1~*=37.2K是合金Ni-46.76%Sc深过冷快速定向凝固的临界过冷度。当过冷度介于58.8KΔT63K过冷度范围内,B_2-NiSc枝晶按照Ni-50%Sc生长;当过冷度ΔT63K,枝晶生长过程中,B_2金属间化合物会偏离严格的线性成分,形成V_(Ni)和V_(Sc)空位和Ni_(Sc)反位复合型的金属间化合物。过冷条件下,根据第一性原理,形成Ni空位且形成双Ni空位最容易且稳定。当形成Ni空位时,多余的Ni原子堆积到其他位置或形成反位原子,最终形成贫Sc的金属间化合物。而且,形成双Ni_(Sc)也可以降低系统的能量,通过Ni取代部分Sc形成贫Sc的金属间化合物。利用第一性原理计算其物理特性,Ni-Sc金属间化合物的NiSc、Ni_2Sc和Ni_5Sc都稳定存在,其中,Ni_5Sc最容易生成,NiSc最难生成。Ni_5Sc的硬度最大,Ni_2Sc的硬度最小。Ni_5Sc塑性最好,Ni_2Sc塑型最差。NiSc和Ni_5Sc是韧性的,而Ni_2Sc是脆性的。Ni和Sc对态密度的贡献主要是Ni和Sc的d轨道,其次是Ni的s轨道和Sc的p轨道。B_2-NiSc金属间化合物的点缺陷是Ni空位和Ni反位,而且以双反位和双空位的形式出现。Ni-Ni双空位和双反位缺陷均以Ni-Ni为第一近邻时稳定性最好。偏离NiSc理想计量比时,B_2-NiSc点缺陷主要是Ni空位缺陷和Ni反位缺陷。当富Ni合金时,Ni反位缺陷比Sc空位缺陷稳定性好,而对于富Sc合金,Ni空位缺陷比Sc反位缺陷更稳定,与能量计算的结果相吻合。V_(Ni)、Sc_(Ni)和Ni_(Sc)对B_2-NiSc的硬度影响较大,而V_(Sc)对B_2-NiSc的硬度影响较小。Sc_(Ni)和V_(Ni)两种点缺陷提高了B_2-NiSc金属间化合物的塑性,而V_(Sc)和Ni_(Sc)两种点缺陷降低了B_2-NiSc金属间化合物的塑性。对Ni-50%Sc合金断裂机理进行了分析,发现断裂裂纹首先发生在晶界上,然后沿着晶界或枝晶间扩展。晶粒内部存在有大量滑移带,说明B_2晶粒有较好的变形滑移能力,也就是具有较好的塑性,而第二相的出现,降低了材料的韧塑性。拉伸断裂可以明显地观察到多个解理断裂面,属于脆性断裂。通过第一性原理计算得知,NiSc是韧性的,而Ni_2Sc是脆性的。断裂裂纹首先发生在“B_2-Ni Sc-晶界-Ni_2Sc”链的晶界上,沿着晶界扩展,然后引起B_2-NiSc晶内塑性变形,加工硬化,B_2-NiSc晶内裂纹萌生、扩展和断裂。理论计算与实验结果相吻合。
【学位授予单位】:河南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG146.15;TG244.3

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