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Ni3Al基金属间合金的研究 陈义 高温结构材料起源于40年代军用飞机的需要, 目前已成为军用和民用高温燃汽轮机不可代替的关键性材料。高温结构材料在高温下具有高强度, 以保证发动机的油耗不致过高; 具有很强的抗腐蚀能力, 在高温燃气的冲刷及腐蚀性介质的侵蚀下保持其性能; 还能长期安全可靠地工作。而金属间化合物以其耐高温, 抗腐蚀和耐冲刷等特性成为航空航天、交通运输、化工机械等行业重要的结构材料, 并在近20年受到广泛研究。由于金属间化合物晶体中金属键与共价键共存, 同时兼有金属韧性和陶瓷的高温性能, 因此具有很大的发展潜力。由于金属间化合物 Ni3Al 基高温结构材料在室温下具有优异的抗腐蚀性能, 受到工业界的注意, 但其晶间脆断是制约其工程化应用最大障碍, 表明这类材料具有巨大的应用潜力同时也存在一定缺陷。 1. Ni3Al 金属间化合物的特性 Ni3Al 是一种具有L12 型晶体结构的长程有序金属间化合物( 表1) , 当接近其熔点时还能保持高度有序, 其晶格常数a= 0. 3561nm, 熔点为
,杨氏模量, 电阻率为，热导率为, Ni3Al 金属间化合物熔点高, 抗高温氧化性能好, 有较高的高温强度和蠕变抗力以及强度大等特点, 而且在一定的温度范围内, 其屈服强度反而随温度的上升而提高, 这些特点都是高温结构材料所希望的。 2.合金元素在Ni3Al 金属间化合物中的作用 2.1合金元素对力学性能的影响 2.1. 1
对强度的影响 Ni3Al 在室温下通常强度不是很高。但是大多数有序合金特别是那些具有L12 结构的大部分合金, 其塑性变形的一个显著特点是流变应力随温度升高而急剧增加。Ni 基高温合金主要包括两相,固溶相
( 无序的面心立方相, 具有A1结构)和中间化合物

( 有序的面心立方相,具有L12 结构)。通常,与无序或部分有序合金相比, 长程有序合金具有高的应变硬化速率。 W和Mo 的添加可大幅度地提高材料的高温抗拉强度和持久性能,W和Mo 同时加入要比单独添加Mo的强化效果好,但W和Mo 的加入降低了合金的塑性。Hf 代替Zr 可进一步强化合金,同时显著改善了合金的塑性,使合金的室温和高温塑性均维持在10%左右的水平。 J.Lapin研究了N-i A-l Cr-Ta-Mo-Zr 多相中间合金的力学性能,发现室温拉伸屈服强度和极限拉伸强度增大,而断裂塑性延伸率降低。R.Merabtine等对Ni3(Al, Si) 中间合金进行了研究,发现温度大于550
时, 极限应力为327MPa, 当温度小于550
时, 极限应力为396
16MPa。S.Shibuya对单晶Ni3X( X:Al 和V)进行了拉伸和蠕变性能测试, 结果表现出比传统Ni 基合金较高的屈服强度和拉伸强度。N-i 8. 2A-l7. 6Cr-1.5Mo-2.1Zr 合金在不同时效处理后, 合金的室温屈服强度和硬度在低温阶段随着退火时间的延长而增大, 至700
时达到最大值,之后随着退火时间的延长而降低。 2.1.2
对塑韧性的影响 高温合金的固溶强化尽管都在强化元素的溶解度限以内,但许多固溶强化元素都是形成脆性相的主要元素, 它们的含量越高,高温合金基体形成脆性相的倾向越大。 微量元素Mg、La等加入高温合金, 往往偏聚于晶界, 改变晶界状态,改变了晶界区域的化学成分,使晶界粗大碳化物颗粒变得非常细小,拉伸或冲击断口由脆性的沿晶断裂变为塑性的穿晶断裂或混合断裂。 张迎九的研究发现, 适量的Li能改善Ni3Al 室温塑性,其断口形貌由Ni3Al合金的沿晶断裂变为混晶断裂, 但Li 不能改善Ni3Al 合金的中温脆性, 对Ni3Al+ B合金室温塑性影响也不大。 添加微量B克服Ni3Al室温脆性是Ni3Al 研究的一个重大突破, 但B只有在富Ni的Ni3Al 中才能有效提高室温塑性,而对Al含量等于或高于25%的Ni3Al 基合金, B不能起韧化作用。郭建亭等首先通过大量实验证实了Zr 对无硼Ni3Al 的塑化作用,并提出Zr 的塑化作用不仅适用于富Ni 的Ni3Al, 而且对化学计量比成分和略富Al 的Ni3Al合金也有效。 2.1. 3
对断裂的影响 Ni3Al 合金具有室温脆性, 是沿晶断裂, 但Liu和Taka-sugi仔细研究都未发现有晶界杂质元素存在, 所以是本征的。L12 型AB3 相的晶界脆性与有序能有关, 也与其他因素有关,如A3B中A、B二元素的负电性差、原子价及原子大小差等。Ni3Al 晶界脆性在一定的环境条件下可充分表现出来, 在水汽、空气和普通真空条件下都能表现为沿晶脆性断裂, 在室温氧气环境下就没有表现,仍有很高的塑性, Ni3Al 晶界脆性与合金Al含量