NiAl金属间化合物的韧化方法与机制

第26卷第6期 辽 宁 工 学 院 学 报 V ol.26,No.6

2006年12月 Journal of Liaoning Institute of Technology Dec.

2006

收稿日期：2006-03-24

基金项目：辽宁省博士科研启动基金（20021071）；辽宁省教育厅科学研究项目（2004C002） 作者简介：李慧(1981-)，女，辽宁丹东人，硕士生。

NiAl 金属间化合物的韧化方法与机制

李 慧1，韩 萍2

，齐义辉1，佟圣旺3

（1.辽宁工学院 材料与化学工程学院，辽宁 锦州 121001;2. 渤海大学 物理系，辽宁 锦州 121003；

3. 辽河石油勘探局 总机械厂，辽宁 盘锦 124209）

摘 要：综述了NiAl 金属间化合物的韧化方法，主要包括合金化、细化晶粒、制备单晶等。同时介绍了这些方法的研究现状，并且分析了每种方法的韧化机制。提出了采用适当的制备方法和加工工艺可以得到综合性能较好的NiAl 基金属间化合物。

关键词：金属间化合物；NiAl ；韧性

中图分类号：TG113.25 文献标识码：A 文章编号：1005-1090(2006)06-0394-05

Toughening Methods and Mechanisms of NiAl Intermetallics

LI Hui 1, HAN Ping 2, QI Yi-hui 1, TONG Sheng-wang 3

（1.Materials & Chemical Engineering College, Liaoning Institute of Technology, Jinzhou 121001, China; 2.Dept. of Physics, Bohai University, Jinzhou

121003, China; 3.Head Machinery Plant, Liaohe Petro Exploration Bureau, Panjin 124209, China ）

Key words: intermetallics; NiAl; toughness

Abstract: The toughening methods of NiAl intermetallics, including alloying, refining crystal grain, single crystal preparation, etc were reviewed.The recent situation under study of these methods were described, and toughening methods were also analysed. The NiAl intermetallics which have favourable properties could be prepared by proper technics .

长程有序金属间化合物NiAl 由于具有一系列优良的力学、化学和物理性能，例如高熔点（1 638℃）、低密度（5.90 g/cm 3）、高导热率（70～80 W/m ·K ）、高杨氏模量（240 GPa ）及很好的抗腐蚀抗氧化性等特点[1~3]。因此，极有希望成为在高温条件下使用的高性能的结构材料，在宇航工业中有着广泛的应用前景。然而室温韧性和塑性差，高温强度低，难以加工成型，这些阻碍了NiAl 合金的实用化[4]。金属间化合物强韧化的研究已成为近10年来国际材料界研究的热点之一。多年来，许多学者志力于NiAl 的研究，发现通过合金化、制备纳米合金、制备多相合金、制备单晶等方法，可提高NiAl 室温韧性、塑性以及高温强度。本文对上述提高NiAl 韧性的几种方法进行阐述并对其韧化机理进行分析。

1 宏合金化

合金化是用来改善NiAl 合金力学性能的一种

非常有效的方法[3，5，

6]。加入合金元素进行宏合金化的一个重要的目的是调整合金或引入塑性相以期达到优良的综合性能。其中所应用的增韧或强化合金的机制主要有：向合金中加入有一定固溶度的元素如Fe 和Co 等，通过溶质气团钉扎位错来引起固溶强化；以及向合金中加入伪共晶形成元素,如Cr 等，通过形成伪共晶组织从而改善合金的室温韧性和高温强度等性能;还有向合金中加入一定量的合金化元素，在基体中形成塑性第二相，从而起塑化作用等。

1.1 Fe 、Co 的宏合金化

近年来发现Fe 元素的加入可促进<111>滑移，

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改善合金塑性，并使合金的高温蠕变抗力明显提高[7,8]。NiAl-Fe合金热挤压组织是由B

2

结构的β′相和含有L12结构的γ′相的无序γ相组成，且彼此相间呈条带分布[9]。挤压态NiAl-Fe合金经1 050 ℃1 h空冷热处理后，室温延伸率已达5％，面缩率达6.7％与NiAl室温延伸率接近于零相比塑性已大为改善。室温拉伸断口形貌的观察表明，粗大β′相呈穿晶解理断裂，而γ＋γ′相呈韧窝状塑性断裂。NiAl-Fe合金拉伸断裂试样的总截面观察发现，裂纹通常都在脆性的β′相中形成，并终止在β′与γ＋γ′的相界面，这说明塑性的γ＋γ′相能够阻止β′相中形成的裂纹扩展，是NiAl-Fe合金塑性改善的重要原因[9]。

Ni-Al-Fe系合金的塑性随Fe含量和工艺过程变化而显著变化。经拉拔得到的细晶Ni-30Al-20Fe 和Ni-20Al-30Fe（原子分数，％）的室温延伸率分别为2％和20％[10]；后者经定向凝固处理可得到(Ni,Fe)Al+(Ni固溶体＋Ni3Al)共晶材料，其室温延伸率为10％[11]，韧化机制与NiAl+Ni3Al共晶材料类似。这是由于 Ni-30Al-20Fe合金挤压态组织是以单相β为主，容易产生裂纹。而Ni-20Al-30Fe合金组织中出现塑性的含有γ′沉淀的γ相，合金的组织由β′相和γ＋γ′相组成，γ＋γ′相能够阻止裂纹扩展，有利于合金塑性的提高，从另一方面看Ni-20Al-30Fe合金由于加入易于形成金属键的Fe原子取代了部分Al原子或Ni原子，增加了合金中的金属键成分，降低了合金的有序度，而且Fe 原子存在于晶界，增加了晶界处参与形成金属键的自由电子浓度，因此改善了合金的晶界结构。因此，Fe的加入是合金晶界得到改善，从而提高了合金的室温塑性。当Fe的加入达到40％at时，Ni-12Al-40Fe 合金挤压态组织就是由单相γ/γ′组成，不存在脆性的β′相，这时其延伸率可达28％．

虽然随着Fe含量的增加，合金中β相减少，γ相增多，合金的室温塑性得到了明显的改善，但抗氧化性能却随着Fe含量的增加而下降。当合金中的Fe含量为30 at%时，抗氧化性能、抗热腐蚀性能急剧恶化[12]。

向NiAl中加入（8％~9％）Co（原子分数）可得到(Ni,Co)Al和(Ni,Co)3Al,其中(Ni,Co)3Al呈链状，分布于(Ni,Co)Al晶界上，能有效的阻止裂纹扩展，其室温延伸率为3％~4％[13]．

1.2制备多相合金

制备多相合金是韧化金属间化合物的可行途径之一[14~16]。这种韧化方式可以保持材料的高强度，组成相的适当匹配可以使材料像高温合金那样具有优良的蠕变抗力。这种方法是通过向脆性NiAl 基体中引入塑性第二相来达到韧化基体的目的，是NiAl合金研究发展的趋势之一。

1.2.1 定向凝固

70年代初期，Cline等人研究了定向凝固方法制备的NiAl/Cr和NiAl/Cr(Mo)合金的微观组织与力学性能，并且通过改进工艺获得了24.1MPa的断裂韧性和良好的高温性能。美国田纳西大学和NASA Lewis研究中心系统地研究了12种二相和三相NiAl基定向凝固共晶合金，其中NiAl-34Cr和NiAl-28Cr-6Mo合金的蠕变强度和断裂韧性得到较好的平衡，见（图1）。其断裂韧性分别为20 MPa m和17~22 MPa m．定向凝固NiAl-Cr共晶原位复合材料，也是由于引入了平行生长的难溶金属增强相Cr，从而改善了NiAl的室温韧性和高温强度。

用热压放热反应合成方法（HPES）制备的NiAl 和NiAl-28Cr-6Mo合金，对其做压缩性能的研究[18]。结果表明，HPES NiAl-Cr(Mo)的强度高于二元NiAl 的强度，当在其中再加入Hf后，合金的强度也同样高于二元NiAl[19]，尽管温度升高，合金的强度有所下降，但含Hf的NiAl/Cr(Mo)合金在高温下仍显示出良好的高温强度，在1 300 K时的屈服强度为509 MPa，是HPES NiAl/Cr(Mo)合金屈服强度的4倍，是二元NiAl强度的8倍。一方面是由于固溶在基体中的Cr（Mo）和Hf形成固溶强化及加入Hf后生成大量的Heusler相形成弥散强化。另一方面是由于定向凝固形成层片状的Cr(Mo)第二相而起到强化的作用。

图1两相和三相NiAl基共晶合金蠕变强度

与断裂韧性的比较[17]

用定向凝固方法制备的NiAl+Ni3Al

共晶材料