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Laves相Cr_2Nb/Ti复相合金的显微组织及力学性能研究

薛云龙  
【摘要】:Laves相Cr_2Nb是一种拓扑密排结构的金属间化合物,其熔点高达1740℃,具有较低的密度、良好的高温强度、优异的高温抗氧化性及抗蠕变性能,是一种很有潜力的高温结构材料,使用温度有望超过1200℃,但较低的室温断裂韧性严重地限制了材料的工程应用。为了提高材料的室温断裂韧性,本文通过合理的合金成分设计,采用不同的制备方法,并结合XRD、SEM、TEM、HRTEM等多种分析手段,系统地研究了Cr_2Nb-20/30/40Ti(at.%)合金的微观组织及力学性能,并对合金凝固组织中相的竞争生长及多晶型相变进行了探讨,主要结论如下:电弧熔炼Cr_2Nb-40Ti合金的凝固组织中,Laves相(Cr,Ti)_2Nb含有多种多晶型结构,既有稳定的C15结构,又有亚稳的C36、5R、6H、7R结构。亚稳结构的形成有两方面的原因:一是,溶质Ti在(Cr,Ti)_2Nb中占据Cr的点阵位置,延缓了多晶型相变的相变进程;二是,溶质Ti可提高(Cr,Ti)_2Nb的标准摩尔生成焓,降低了(Cr,Ti)_2Nb的稳定性,使得亚稳结构得以保存。然而,b-Ti相对(Cr,Ti)_2Nb的多晶型相变有促进作用,通过计算b-Ti相与(Cr,Ti)_2Nb不同多晶型结构间的晶格错配度,发现b-Ti相可与C15结构形成稳定界面,这有利于亚稳结构向C15结构的转变,因而对多晶型相变起到促进作用。1473K/48h高温热处理下Cr_2Nb-20/30Ti合金的晶粒尺寸发生细化,脆性相(Cr,Ti)_2Nb的含量减少且形貌得到改善,这缓解了合金的塑性变形限制,使得合金的断裂韧性提高,裂纹桥接成为合金的主要增韧机制;同时,高温热处理下Cr_2Nb-40Ti合金的组织演变为弥散分布的(Cr,Ti)_2Nb颗粒组织,合金的变形得以在三维显微组织内进行,提高了合金的变形能力,使得合金的断裂韧性得到改善,裂纹偏转成为合金的主要增韧机制。定向凝固Cr_2Nb-20/40Ti合金中Laves相(Cr,Ti)_2Nb实现了择优生长,生长晶面由较低凝固速率下的多个晶面(220)、(311)、(222)、(422)演变为较高凝固速率下的单一晶面(220)。根据(Cr,Ti)_2Nb的晶体结构,分析了不同晶面的原子排列情况,并计算了各晶面的裸键能,发现(220)晶面有较好的生长动力学优势,使其在定向凝固过程中得以淘汰其它生长晶面,最终成为Laves相(Cr,Ti)_2Nb的择优生长晶面。激光表面熔凝下Cr_2Nb-20/30/40Ti合金的显微组织发生了演变。激光扫描速率50~200 mm/s范围内,Cr_2Nb-20Ti合金的相组成均为单相(Cr,Ti)_2Nb,Cr_2Nb-40Ti合金的相组成均为单相b-Ti,而Cr_2Nb-30Ti合金的相组成由50 mm/s下的共晶(Cr,Ti)_2Nb/b-Ti演变为100~200 mm/s下的单相b-Ti。根据共晶生长Trivedi-Magnin-Kurz(TMK)模型和枝晶生长Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)模型,结合快速凝固过程的非平衡效应,计算了各合金中(Cr,Ti)_2Nb相、b-Ti相和(Cr,Ti)_2Nb/b-Ti共晶的过冷度与生长速率的关系,分析了各合金中相的选择及竞争生长行为,解释了合金的组织演变过程。由于激光表面熔凝下相结构的演变及晶粒尺寸的细化,合金的力学性能得到改善,合金的显微硬度高达9.1 GPa,比单相Cr_2Nb的8.7 GPa大,合金的断裂韧性高达22.5 MPa×m1/2,这一值是单相Cr_2Nb的16倍。


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