稀有金属 2006,(S1),102-105 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s1.025

悬浮熔炼制备新型稀土金属间化合物

杜宇雷 陈国良 陈光

南京理工大学材料科学与工程系,南京理工大学材料科学与工程系,南京理工大学材料科学与工程系,南京理工大学材料科学与工程系 江苏南京210094,江苏南京210094,江苏南京210094,江苏南京210094

摘 要：

利用冷坩埚悬浮熔炼法制备具有严格化学计量比的二元稀土金属间化合物 (RM) 的原理与过程, 对所制备的RM进行了材料表征和力学性能测试, 并通过分析扫描断口以及力学性能数据, 探讨了RM在室温下的断裂机制。

关键词：

新型稀土金属间化合物;室温韧性;悬浮熔炼;

中图分类号： TF845

作者简介：杜宇雷 (E-mail: yldu_njust@mail.njust.edu.cn) ;

收稿日期：2006-04-29

基金：教育部高等学校博士学科点专项科研基金 (20040288018) 资助项目;

New Rare Earth Intermetallic Compounds Prepared by Levitation Melting

Abstract：

The basic theory and process of stoichiometric binary rare-earth intermetallic compounds (RM) prepared by cold crucible levitation melting were introduced.RM was studied by X-ray and mechanical properties testing.The fracture mechanism of RM at room temperature was discussed via analysis of fracture surface SEM and data of mechanical properties.

Keyword：

new rare-earth intermetallic compounds;ductility at room temperature;levitation melting;

Received： 2006-04-29

具有化学计量比的金属间化合物原子间结合力强、 熔点高, 高温下仍能保持较高的强度和刚度, 同时具有良好的抗蠕变及抗氧化能力, 是极具潜力的新型高温结构材料 ^[1,2] , 另外, 它们的化学、 物理、 电学、 磁学性能也优于普通金属。 但是金属间化合物的室温脆性导致成型性差的缺点限制了这类材料在工程上的应用。 因此, 改善金属间化合物的室温脆性一直是材料领域研究的热点和核心问题。 在发现多晶Ni₃Al中添加微量硼能有效改善室温塑性后 ^[3] , 又发现了金属间化合物的环境脆性 ^[4] 。 目前对金属间化合物的韧化手段主要是采取微合金化 (如添加微量B) 、 施加马氏体相变、 偏离化学计量比等措施, 或在高温下、 零湿度环境中进行测试, 从而使金属间化合物表现出一定的韧性。 2003年美国Ames实验室的Gschneidner K和Russell A等发现一类完全符合化学计量比, 由一种稀土元素与某些主族或过渡族金属形成的二元金属间化合物, 它具有类似CsCl的B2型晶体结构, 如YCu, DyCu, YAg等二元稀土金属间化合物 (简称RM) 在室温和空气中具有显著的韧性, 其中多晶YAg的室温延伸率最大可达20%以上, 超过目前的商用铝合金 ^[5] 。

采取冷坩埚悬浮熔炼法制备具有严格化学计量比的二元稀土金属间化合物, 此熔炼方法的优点是合金在熔炼过程中能充分均匀, 避免偏离化学计量比的合金相生成, 另外也避免了像电弧熔炼过程中可能导致的杂质引入, 确保得到RM金属间化合物。 本文对所制备的RM进行了材料表征和力学性能测试, 并通过分析扫描断口以及力学性能数据, 探讨了RM在室温下的断裂机制。

1 实 验

1.1 试样制备

1.1.1 冷坩埚悬浮熔炼制备金属间化合物的原理

冷坩埚悬浮熔炼是将分瓣的水冷铜坩埚置于交变电磁场内, 利用交变电磁场产生的涡流热熔融金属, 利用电磁力使熔融金属物料与坩埚壁保持非接触状态, 并对炉料进行感应熔炼成形。 由于熔融金属与坩埚壁是非接触, 所以能够保持金属物料的高纯度以及避免熔炼过程中杂质元素的引入[6]。 熔炼时电流通过感应线圈在水冷铜坩埚和金属材料内部产生涡流, 由于涡流之间的电磁力相互排斥, 使金属材料悬浮起来, 并加热熔化 (如图1所示) , 由于有很强的电磁搅拌, 能够得到组织均匀的金属间化合物铸锭。

1.1.2 冷坩埚悬浮熔炼制备试样与后续热处理

选取纯度为99.99 (%, 原子分数) 的Cu和纯度为99.8 (%, 原子分数) 的Y, 按RM中组分元素原子比1∶1进行配料, 物料熔炼之前分别经过乙醇和丙酮为清洗液的超声波清洗。 熔炼时先进行钇的熔炼, 再把Cu原料置于钇锭之上, 防止由于两种组分的密度差, 导致熔料熔炼不均匀, 形成偏析。 形成金属间化合物铸锭后, 再反复熔炼3遍, 以确保得到组织均匀、 具有严格化学计量比的金属间化合物。

把铸锭放入WZDJQ-20型单室真空气淬炉中, 在800 ℃恒温连续退火12 h, 尽量消除铸锭缺陷。

1.2 材料表征与力学性能测试

利用日本理学Rigaku公司的D/Max-RA型X射线衍射仪 (Cu靶, Kα辐射, Ni滤波片) 进行材料表征。 在Instron-3367材料试验机上进行压缩和拉伸试验, 压缩试样为6 mm×6 mm×12 mm的方柱形试样, 压缩速率为1×10^-4 s^-1, 拉伸试样为图2的板状试样, 拉伸速率为8×10^-6 s^-1。 采用Philips-XL30型ESEM进行压缩和拉伸断口的扫描分析, 以此来初步分析RM的室温韧性机制。

2 结果与讨论

2.1 材料表征

图3是YCu试样的XRD图, 所测得数据与标准PDF卡片对照, 衍射峰出现的位置、 相对强度与标准数据吻合得较好, 表明试样是金属间化合物YCu。

图1 冷坩埚感应悬浮熔炼原理图 [7]

Fig.1 Principle of CCLM ^[7]

图2 多晶YCu拉伸试样外形尺寸 (厚2.5 mm)

Fig.2 Dimensions of YCu polycrystalline tensile specimens

图3 YCu试样XRD图谱

Fig.3 XRD pattern of YCu

2.2 力学性能测试与断口分析

2.2.1 力学性能测试

图4 (a) 是6 mm×6 mm×12 mm的方柱形试样, 压缩速率为1×10^-4 s^-1时的应力应变曲线, 从图中可得到多晶YCu的压缩屈服强度σ_0.2高达250 MPa, 抗压强度为596.57 MPa, 压缩率为16.66%。 图4 (b) 是多晶YCu试样的拉伸应力应变曲线, 由于拉伸速率为8×10^-6 s^-1, 可以近似认为是准静态拉伸。 从拉伸曲线得到多晶YCu的拉伸屈服强度σ_0.2约为40 MPa, 抗拉强度为152.84 MPa, 延伸率为5.51%。

2.2.2 断口分析

图5 (a) 和 (b) 分别是压缩试样断口和拉伸试样断口的SEM图片, 从图中可看出多晶YCu的断裂形式不同于一般金属间化合物的晶间脆性断裂, 没有明显的解理台阶与河流花样, 而是以穿晶断裂为主, 部分区域的断口形貌为纤维状, 有不明显的韧窝分布而且出现了微观裂纹 (a图箭头所指区域) , 表明多晶YCu有明显的室温韧性, 但是在拉伸断口的有些区域出现了解理形貌 (b图箭头所指) , 说明多晶YCu在拉伸时有一定的脆性。

2.3 讨 论

YCu的压缩屈服强度比拉伸屈服强度高出许多, 可能与应变速率和应力状态有关。 一般屈服强度随应变速率的增加而增大, 另外应力状态也影响屈服强度, 切应力越大, 屈服强度越低。

图4 YCu试样的 (a) 压缩和 (b) 拉伸应力-应变曲线

Fig.4 Stress-Strain curve of compression (a) and tensile (b) for YCu

图5 YCu试样的断口 (a) 压缩和 (b) 拉伸的ESEM图片

Fig.5 ESEM micrographs of YCu fracture surface (a) compression (b) tensile

虽然使RM表现出比一般金属间化合物有较好的室温韧性的原因尚不是十分清楚, 但是有可能导致较好的室温韧性的因素有: 第一, 多重滑移系。 金属间化合物室温韧性差的一个重要原因是滑移系较少, 塑性变形很难以滑移方式进行, 导致塑性较差, 容易脆断, 而RM可能具有较多的滑移系。 第二, 金属间化合物在普通环境中容易产生环境氢脆, 而RM中的稀土元素能阻碍环境氢脆。 金属间化合物中添加稀土元素能改变断裂模式, 从沿晶断裂向部分穿晶断裂转变, 因为金属间化合物吸附环境中水汽的H, H原子很容易沿着晶界扩散到RM内部, 稀土活性元素与H在晶界处形成稀土氢化物, 降低了RM的晶界有序度, 使之更像一般普通金属的晶界, 这样可以增加材料晶界的内聚强度, 提高断裂韧性, 抑制沿晶断裂 ^[8] 。

上述因素只是初步地提出, 其原因还需要进一步的研究与探讨, 另外RM的晶界特征、 晶粒大小、 稀土元素的真正作用也有待研究。

3 结 论

1. 冷坩埚感应悬浮熔炼能制备出具有严格化学计量比的二元稀土金属间化合物RM。

2. YCu的屈服强度对应变速率和应力状态比较敏感。

3. 稀土金属间化合物YCu在室温下有明显的室温韧性。

参考文献

[1] Liu C T, George E P, Maziasz P J, et al.Recent advances in B2iron aluminide alloys:deformation, fracture and alloy design[J].Ma-terials Sci.&Eng.A, 1998, 258:84.

[2] Liu C T.Recent advances in ordered intermetallics[J].MaterialsChemistry and Physics, 1995, 42:77.

[3] Aoki K, Izumi O.Improvement in roomtemperature ductility of theL12type intermetallic compound Ni3Al by boron addition[J].J.Ja-pan Inst.Metals., 1979, 43:1190.

[4] Liu C T, Lee E H, Mckamey C G.An environmental effect as themajor cause for room-temperature embrittlement in FeAl[J].ScriptaMetall., 1989, 23:875.

[5] Gschneidner K, Russell A, et al.Afamily of ductile intermetalliccompounds[J].Nature Materials, 2003, 2:587.

[6] Chen Ruirun, Ding Hongsheng, et al.Electromagnetic cold crucibletechnology andits application[J].Rare Metal Material and Engineer-ing, 2005, 34 (4) :510.

[7] Arimichi Morita, Hisao Fukui, et al.Alloyingtitaniumandtantalumby cold crucible levitation melting (CCLM) furnace[J].MaterialsSci.&Eng.A, 2000, 280:208.

[8] Zhang Z, Russell A M, Biner S B, et al.Fracture toughness ofpolycrystalline YCu, DyCu and YAg[J].Intermetallics, 2005, 13:559.