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NiAl合金及其复合材料的机械合金化研究

杨福宝  
【摘要】: 本文研究了Mi-Al、Ni-Al(Co、Cr)、Ni-Al-Hf-C、Ni-Al-Hf-B与 NiAl-34Cr合金及合金系的机械合金化过程、产物和反应合成机理;并利 用热压固结方法制备出晶粒细小的块体材料,在分析了块体材料的组织 结构的基础上,考察了材料的力学性能,并研究了材料的变形行为及强 韧化机制。 高能球磨Ni和Al元素粉末可以在短时间内合成纳米晶NiAl粉末。 NiAl化合物的高生成热和复合粉末精细结构的形成是爆炸反应发生的前 提条件。球磨机输入的能量强度直接影响爆炸反应的孕育期的长短。通 过高温热压可以将得固态合金化合成的NiAl纳米晶粉末压制成晶粒细 小(200~300nm)、致密度为95%的块体材料。力学性能试验表明,材料 的室温屈服强度达到652MPa,几乎是普通粗晶NiAl的两倍,室温压缩 变形量为6%,是铸态经挤压NiAl的2.1倍,而且室温屈服强度对于应 变速率的变化不敏感,反映出变形仍是受位错滑移机制控制。分析与计 算表明,晶粒细化是MA NiAl室温韧性提高的主要原因,同时粉体合成 及热压过程中氧化所导致的成分偏离计量比和由此而产生的少量Al_2O_3 颗粒也会对材料的强度产生一定的影响。尽管MA NiAl的室温压缩强度 和塑性均较铸态NiAl有显著提高;但室温拉伸强度却相对较低,而且没 有发生明显的塑性延伸,组织与断口分析表明显微孔洞的存在及粉体合 成过程中的污染是材料拉伸塑性较差的主要原因。随着温度的提高,材 料的拉伸与压缩屈服强度的差值减小,高温下MA NiAl的拉伸屈服强 度依赖于应变速率,说明晶界蠕变变形机制没有占主导作用,变形仍由 扩散机制控制。 首次系统研究了合金元素Co、Cr分别替代Al元素加入后对NiAl 机械合金化过程、反应机理及球磨终产物的影响。结果表明,合金元素 的加入(≥10at.%)降低了化合物的生成放热,使NiAl的爆炸式生成需 拘 要 要的临界能量与结构状态难以达到,取而代之的是M(CO)或NIAI (Cr)化合物的扩散方式逐渐生成.合金元素Co的加入对终产物的影响 较大:Co含量增加到 15at%时,反应生成产物为完全无序的“类非晶” Nial(Co)化合物;随着 Co含量的进一步增加(> 20at.%),导致了 Ni (hi,Co)过饱和固溶体的形成.与 Co相比,合金元素 Cr的加入对生 成物结构的影响较小,但合成产物组成相卜NIAI(Cr)的有序度却随着 Cr含量的增加而显著下降直至完全无序(一 20at.%) .利用高温热压和热等静压手段成功制备出不同 Cr含量(5,15, 25at.%)的 Ni-AI(Cr)细晶块体材料,并且考察了压块材料的组织与力。 学性能.经高温热压,合金组织已完全转变为平衡态,与粉末态相比, 晶粒发生了比较明显的长大.Y’.Ni。AI和a(r的均匀弥散析出及细小 的晶粒组织使材料的强韧性得以明显改善.随着Cr含量的提高,材料的 屈服强度表现出与粉末态相反的规律,即屈服强度逐渐提高.晶粒细化、 沉淀强化和固溶强化的共同作用使得M(Cr)热压块的室温屈服强度 达1094—1318MPa,是铸态参比样的1.19—158倍.同时MANIAs(Cr) 块体材料还具有较好的室温压缩塑性,有大于20%的室温压缩塑性,最 大压缩率可达30%.但高温强度仍待进一步提高. 首次通过球磨元素粉末方法原位合成 T NIAI/Hffi和 NIAIMfB。复合 材料.合成机理可以归结为双爆反应(Ni+s一 NIAI+AH;Hf+C。 HfC+凸H),其爆炸反应发生前的球磨时问介于NIAI和Hte的孕育期之 问,实验同时验证了N卜AI—NIA卜AH是失反应系.研究了软硬不同的 两种化合物混合球磨时的晶粒细化规律,其中相对较软的一相细化速度 较快,而且具有比较小的饱和晶粒尺寸,相对较硬的一相在继续球磨过 程中起到磨球的作用,将机械能传递给较软的一相. 来用HP+Hll,方法制备出致密度为960的NIAI/HfC和NIAI/HffiZ纳 米复合材料,对两种复合材料的组织结构研究表明,较大的强化相 (50~120urn)主要分布在 NIAI晶界上,而尺寸较小的强化相颗粒(30urn 以下)均匀分布在晶内.基体NIAI的晶粒度较细,约为0.5卜m左右.300K -1273K温度范围内两种复合材料的强NIAI10Hte复合材料具有比较高 二互 博土学位论文:Ntal合全及其复合材料的机械合金化研究 的强度,其室温压缩屈服强度达到1290MPa以上,是铸态Nial的4倍 多.高温屈服强度是NIAI的3.5倍,同时材料的室温压缩变形量达到12 %,约为粗晶NIAI的4倍多.断口分析表明,致密化程度的不足在一定 程度上削弱了复合材料强度的进一步提高. 研究了* *。纳米复合材料的高温流变行为,并运用线形拟 合方法评价了材料的抗高温蠕变变形能力.NIAll0HfBZ复合材料的高强 度同样归结为弥散相颗粒在基体中的两态分布.线性拟合结果表明M.


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