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NiAl基共晶合金的组织和力学行为及稀土合金化研究

任维丽  
【摘要】: NiAl-难熔金属的共晶合金是一种同时解决室温韧性和高温强度较为成功的合金系。本文就NiAl-9Mo共晶合金的韧脆转变及其蠕变行为和稀土元素对NiAl-28Cr-5.5Mo-0.5Hf共晶合金组织、性能的影响进行了深入系统的研究。采用铸造、热等静压和热处理工艺方法制备了研究材料,借助于X射线衍射、电子探针、俄歇能谱显微镜、扫描电子显微镜及透射电子显微镜等分析测试手段,研究了材料的微观组织结构和高温变形的机理,较系统地研究了组织结构和力学性能及高温变形之间的相关性规律。 铸态的NiAl-9Mo合金通过热等静压法处理,研究了铸态和热等静压态的NiAl-9Mo共晶合金在不同应变速率下的韧脆转变行为。在相同的条件下,热等静压处理使得合金的塑性提高,强度和平均应变硬化率降低,也使得韧脆转变温度降低。铸态合金较热等静压态合金的韧脆转变温度更加依赖于应变速率的变化。在韧脆转变附近,该合金的断口形貌经历了NiAl/Mo相界剥离的脆性断裂到微孔洞聚合的塑性断裂的转变。铸态和热等静压态NiAl-9Mo合金的韧脆转变激活能分别为263,327 KJ/mol,意味着该合金的韧脆转变是由NiAl相内的晶格扩散所控制的。进一步在恒定的应变速率下和较小的温度间隔范围内,对热等静压态的NiAl-9Mo合金在韧脆转变区间上的拉伸断裂行为作了详细研究,其在韧脆转变区间上的拉伸行为可分为四个区间:脆性解理、塑性解理、混合断裂、延性断裂。其中,脆性解理和塑性解理过渡的温度点标志着材料由脆性状态进入塑性状态,因为此点对应着解理抗力或裂纹被捕获能力开始的增加点和变形过程中组织内的位错密度急剧增加点。 研究了两相共晶合金NiAl-9Mo蠕变行为,该合金的减速蠕变阶段很短,稳态蠕变阶段较长,表现出较好的蠕变断裂塑性。其稳态蠕变速率可用幂指数蠕变方程来描述,在850-950℃时的应力指数值分别为4.75±0.25;在恒载荷60-80MPa时,表观激活能为410±4.5KJ/mol。加速蠕变阶段蠕变速率的增加是由于裂纹的形成和扩展,且其断裂数据遵循Monkman-Grant规律,关系式为:((?)_c)~(0.922)t_f=e~(-3.714);在所研究的温度和应力下,蠕变断口呈现出塑性断裂和沿晶蠕变断裂的混合行为,而后者比例较大,同一温度下随着应力的增大或者同一应力下随着温度的增大,沿晶断裂的比例呈现下降的趋势。该合金的蠕变过程为基体相NiAl内的位错局部攀移越过Mo颗粒过程所控制,第二相颗粒和越 摘 要 一 过它的位格没有强烈的吸引作用,朋该合金在所研究的温度和应力下表现为例氏的应 力指数和测氏的门槛应力。为了搞清该合金表现出较高表现蠕变激活能的原因,作了瞬 志回蠕变实验。MAI习 #rE瞬态回蠕变中呈现出较大的滞弹性应变。此滞弹性应变 是卸载时储存在纤维中的弹性应变能为它概的驱动力,随温度和卸载应力的增大而增 大,其激活能为 232KJmol,和NIAI的蠕变激活能相一致,表明它是在卸载后基体相的 一种回流过程。所以,我们得出,在稳态蠕变中,该合金高的表观蠕变激活能是基体相 的蠕变激活能和第二相与基体相界面损伤失效激活能的总体体现。 造财土元素Y、Ce、Nd,FJ一方式加Mu NIAI上8C。5.SMO刀.SHf共晶合 外二元Nki合金中,用真空感应电弧炉熔炼,均匀化后炉冷。加们土俄该共晶合 金组织细化,邮土的的增加而疏细化;并且,组部的成服生变化,艄NAI 相中测Hf元素减少,服凝固界面前沿富集了更多的朋元素,加大了成分过冷,有 利于形成均匀和细小的组织。当稀土撞达到 0.1%(质量撤)时,在NAI和Cr(Mo) 的相界处形成不规则形状的稀土化合物N17Y2和A13Y、NNil7、AIC7,这些相对合金 的力学性能产生有害影响。适量稀土的加入可以改善Ni从28Cr-5.SM。-05Hf合金的室温 到高温的压缩强度和塑性。俄歇能谱测试表明稀土元素Nd偏聚在二元NI川合金晶界, 晶界偏聚引起晶界乃U变的增加,强化了晶界,这是稀土{支一身合金压缩塑性改善的原因, 并讨论了稀土元素在晶界的作用鹏。还研究了俄量稀土共晶烟0.05Y 0.05M广的高 温流变行为,在每种温度下,较高应变速率下O.94X 10飞一‘和 1.94X 10、-‘)抓稀土 合金的流变应力大于不含稀土合金的流变应力,而在a变速率(1.94X10-‘S-‘)下,这 种强化现象消失。幂指测律和温度补偿的就旨数规律可以#碘地描断个忖的高温 压缩流变行为,加们土使得她的应力指数和变形激活能响,成由于稀土偏跳 相界上使得相界上的空位浓度发生变化。其强化现象的消失可能和压应为诱使的相界偏 聚消失有关。 研究了稀土对NAI工8Cr-5.SMo心.SHf共晶地肥性能的影响。不同稀土赠忖 1100℃的恒温驯动力学曲线均测以B一物线倾。不同O和M付合金的氧化增 重呈现出相同的规律,即含量较少合金的氧化增重,J、于基体,当含量增大到0,swt%时, 氧化增重急剧增大。Ce +f为 0.05wt%和 Nd #f为 0.lwt%时,分别获得了最,J。的氧化 增重。Nd含量为0005、0刀SWt%的时即膜中,存在有树的0-AI。O如 其它村合 金的表面氧化膜中的 A12O。为 a.AI。O。;没


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