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金属间化合物NiAl的研究进展

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2007年第6期

论文作者:郭建亭

文章页码:1013 - 1027

关键词:NiAl;超塑性;韧脆转变(BDT);纳米晶NiAl;NiAl基高温材料;JJ-3合金

Key words:NiAl alloys; superplasticity; BDT; nanocrystalline NiAl; NiAl-based composites; JJ-3 alloy

摘    要:介绍在NiAl金属间化合物方面取得的研究成果。主要成果有:NiAl合金超塑性及其机理研究;NiAl合金韧脆转变及其机理;纳米晶NiAl合金及其复合材料;内生颗粒增强NiAl基复合材料及强韧化机制;合金元素的作用以及JJ-3合金的发展。

Abstract: Many research progresses of the NiAl alloys were presented. The important conclusions mainly include the superplasticity and its mechanisms of the NiAl alloys, BDT and its mechanisms of the NiAl alloys, nanocrystalline NiAl and its nanocomposites, in-situ particle-reinforced composites and mechanisms of strengthening and toughening, effect of alloying element and development of the JJ-3 alloy.

基金信息:国家自然科学基金资助项目



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金属间化合物NiAl的研究进展

郭 建 亭

(中国科学院金属研究所,辽宁 沈阳,110016)

摘  要:介绍在NiAl金属间化合物方面取得的研究成果。主要成果有:NiAl合金超塑性及其机理研究;NiAl合金韧脆转变及其机理;纳米晶NiAl合金及其复合材料;内生颗粒增强NiAl基复合材料及强韧化机制;合金元素的作用以及JJ-3合金的发展。

关键词:NiAl;超塑性;韧脆转变(BDT);纳米晶NiAl;NiAl基高温材料;JJ-3合金

中图分类号:TG132.32         文献标识码:A         文章编号:1672-7207(2007)06-1013-15

Research progress of intermetallic NiAl alloys

GUO Jian-ting

(Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract: Many research progresses of the NiAl alloys were presented. The important conclusions mainly include the superplasticity and its mechanisms of the NiAl alloys, BDT and its mechanisms of the NiAl alloys, nanocrystalline NiAl and its nanocomposites, in-situ particle-reinforced composites and mechanisms of strengthening and toughening, effect of alloying element and development of the JJ-3 alloy.

Key word: NiAl alloys; superplasticity; BDT; nanocrystalline NiAl; NiAl-based composites; JJ-3 alloy

                    

金属间化合物NiAl具有熔点高、密度低、热导率大和抗氧化性能优异等一系列特点,使它作为一种新型的高温结构材料受到广泛重视。在此,本文作者将简要报道作者等取得的一些重要研究成果。

1  NiAl合金超塑性及其机理

1998年陈荣石等[1-3]发现NiAl-25Cr合金具有超塑性,以后又相继发现NiAl-20Fe-Y,Ce[4-5]和NiAl-30- Y[6-7]合金也具有超塑性。2001年进一步观察到等原子比NiAl的超塑性变形行为[8-9]。到目前为止,已发现
具有超塑性的NiAl合金有10余种,结果见表1。本文中所有元素成分均为原子分数,所有化合物成分均为体积分数。

NiAl及其合金的超塑性变形属于组织超塑性。可以按晶粒粒径和形貌划分为两类:等轴晶,有晶粒粒径在200 mm以上的粗晶,如NiAl和NiAl-P,晶粒粒径在10 mm以下的细晶,如NiAl-25Cr, NiAl-31Cr- 2.9Mo-0.1Dy和NiAl-9Mo以及晶粒粒径介于两者之间的中等晶粒,如NiAl-20Fe-Y,Ce和NiAl-30Fe-Y;柱状晶,即经定向凝固形成的晶粒沿生长方向伸长而彼此平行,如NiAl-27Fe,NiAl-25Cr,NiAl-Cr-Mo-Hf和NiAl-15Cr等。

表1  NiAl及其合金超塑性变形有关参数

Table 1  Test data of superplasticity of monophase NiAl and NiAl-based alloys

注:m为应变速率敏感指数;Qc为体扩散激活能;d为伸长率;DS为定向凝固

NiAl及其合金超塑性变形的特点:

a. 中等的超塑性伸长率。超塑性变形的最大伸长率在160%~480%内波动(见表1),与许多金属材料的超塑性在1 000%以上有所不同。利用超塑成形工艺制备复杂零件仅需150%~300%的伸长率,而且NiAl合金具有较低的流变应力,通常在有利的温度和应变速率条件下,仅为25~50 MPa。由于NiAl合金室温塑性极差,目前所发现的高强度NiAl合金的塑性几乎都为零,因此,加工非常困难。NiAl超塑性的发现为解决这一难题提供了最好的方法,可以利用超塑性成型制成形状复杂的零件,如涡轮叶片等,而不需要车削、磨削等加工工序,而且利用超塑性成形工艺制备NiAl合金部件还可以减少材料加工过程中的能源消耗,可以用较小的设备压制出复杂形状的部件,从而节省原材料,提高零件的精度。

b. 应变速率敏感指数m较小,一般为0.30~ 0.60(见表1)。比一些工业用超塑性合金的应变速率敏感指数(0.5~0.9)要小,而且初始等轴晶晶粒粒径越小,最大m越接近上限。超塑性变形的表观激活能(Qc)可以分为两类,即等轴晶的NiAl,NiAl-20Fe-Y,Ce和NiAl-30Fe-Y以及柱状晶NiAl-27Fe-3Nb。NiAl-25Cr和NiAl-15Cr合金的Qc为216~730 kJ/mol,接近或大于NiAl的体扩散激活能220~300 kJ/mol,而细小等轴晶NiAl-25Cr,NiAl-9Mo及NiAl-31Cr-2.9Mo-0.1Dy合金的Qc为110~180 kJ/mol,即约为NiAl体扩散激活能的1/3~2/3。说明前一类合金的超塑变形与晶格扩散有关,而后一类合金的超塑变形受晶界扩散等短程扩散控制。

c. 粗晶NiAl合金的超塑性变形机理为位错滑移和攀移同时作用下的动态回复和动态再结晶。试验结果表明,变形前等轴晶NiAl的晶粒粒径为200 mm,在1 100 ℃,初始应变速率为8.35×10-2 s-1条件下进行超塑性变形,当应变量为0.40时,平均晶粒粒径已减小至100 mm,当应变量为0.92时,平均晶粒粒径已细化为40 mm[12]

TEM观察显示,在应变初期晶粒内部存在大量的位错,表明位错的滑移和增值占主导地位,并提供试样的主要应变量。位错密度的增加导致加工硬化,在真应力­­-真应变曲线上表现为应变初期应力的持续增加。局部形成位错胞亚结构表明在一定程度上发生了动态回复过程。但在应变后期,晶粒内部出现清晰的亚晶粒,在宏观形貌上表现为晶粒的细化,表明在变形过程中发生了动态再结晶[10]。在变形过程中,晶粒内部并未发现位错缠结导致的位错密度局部增高,而发现一些位错的胞状亚结构,表明这种动态再结晶过程与传统的动态再结晶过程是不同的。B2型长程有序金属间化合物NiAl一个重要特征是在高温变形中,由于具有很高的层错能,被激活的位错在滑移过程中遇到障碍时并不分解成分位错,而是通过交滑移或攀移缓解应力集中。攀移运动的结果使滑动位错形成短小的位错列,并随着变形的进行不断地吸收滑动位错,通过多边形化形成位错网络进而演化为小角度晶界甚至大角度晶界。这也是一种起源于动态回复的动态再结晶过程,是位错滑动与攀移共同作用的结果。这个过程吸收了高温变形产生的畸变能,使变形呈现稳态流变,并且合金在此变形条件下具有较高的抗颈缩的能力,从而产生超塑性流变。因此,等原子比多晶NiAl的超塑性是由变形过程中发生的动态回复与再结晶来实现的。从超塑性变形的激活能分析,粗晶NiAl合金的超塑性受晶格扩散控制,位错的攀移便是一种晶格扩散。

d. 细晶粒和中等晶粒NiAl合金的超塑性变形机理为晶界滑动,同时伴随有抑制孔洞形核和长大的动态回复。对NiAl-25Cr合金的实验观察结果表明,在超塑变形条件下,变形后拉长的共晶组织变为均匀分布的细晶组织,这是由于晶粒的滑动和转动,共晶条带组织在晶界处被打断发生扭折的结果。TEM观察表明,在超塑性变形的应力-应变曲线的稳态阶段,位错密度很低,几乎所有视场都可以观察到由位错组成的位错墙,在其附近偶尔发现一些位错[12],说明亚晶界与滑动位错发生了交互作用,因此,稳态流变的出现应是由于变形过程中产生的位错与亚晶界位错墙吸收的位错在数量上相互抵消的结果。此外,由于b-NiAl与a-Cr存在较小的晶格错配度,相界上总是存在位错网[12]。这些错配位错既可以吸收晶内滑动位错,也可向晶内发射位错,通过这种交互作用使形变过程中产生的应力得到松弛,从而避免晶界孔洞形核与长大。

e. 定向凝固NiAl合金的超塑性变形机理为晶内的位错滑移以及微弱的晶界和相界的滑动,同时伴随NiAl相的动态回复以及Ni3Al相内的动态再结晶。

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