高梯度定向凝固共晶高温合金的组织与性能

【摘要】： 本文采用LMC和电子束区熔两种高温度梯度定向凝固装置，研究合金成分 及工艺参数对初生相析出行为的影响，优化了自生复合材料的制备工艺。在此基 础上开展了以Ni-TaC系共晶合金为代表的定向高温共晶复合材料的研究，借助 金相技术、电镜技术、图象处理技术等多种分析测试手段，考察试样的界面形态、 组织特征以及共晶共生范围等多方面的凝固特性，建立了凝固过程控制与凝固组 织的对应关系。探讨了自生复合材料凝固组织对力学性能的影响以及室温和高温 复合材料的断裂机制。 本工作发现，温度梯度在一定程度上能够抑制初生相析出，较低的凝固速率 对抑制初生相的析出有利。在LMC高温度梯度定向凝固条件下，凝固速率在 7.14μm/s范围内，偏离共晶成分2.9wt.％Ni-Nb亚共晶合金都可制备出片层状共 晶自生复合材料。生长速率平方根的倒数与共晶片层间距具有线性对应关系，该 系统有λ~2R=83.14μm~3/s关系式。 EBFZM的Ni-Nb近共晶合金在电子枪移动速率为1.67μm/s时，稳态生长阶 段可以生长出片层非共晶成分的复合材料，但随着电子枪移动速率的增加，初生 相析出，共晶相（Ni(Nb)-Ni_3Nb）由定向到失稳再到发散。 Ni-TaC复合材料中TaC纤维间距与凝固速率的函数关系为λ=8.635R~(-0.5078)， TaC纤维横向面积与凝固速率的函数关系为S=-0.8152R+6.01，TaC纤维体积分 数可以在一定范围内随凝固速率而改变。Ni-TaC16复合材料中TaC纤维间距和凝 固速率的函数关系为λ=13.18R~(-0.4972)，横向面积与凝固速率的函数关系为 S=-0.6597R+5.14，TaC纤维体积分数在一定范围内随凝固速率变化。 Ni-TaC系复合材料中TaC和基体相的界面结构一般为规则的折线状。同时， 还发现了不规则的折线界面形貌、波浪线形界面形貌和鱼骨状界面形貌。纤维状 的共晶TaC以金字塔方式定向生长，形成规则排列的TaC纤维。共晶TaC横向 截面的多样性主要与共晶TaC横向边缘不稳定性和生长速率的各向异性有关。 Ni-TaC16共晶自生复合材料室温拉伸性能，随着纤维体积分数的增加和纤维 间距与尺寸的减小而提高。复合材料常温和高温的拉伸断裂模式与基体相的形变 强化特性有关。