Nb基超高温合金定向凝固组织及其共晶凝固机理研究进展

Nb-Si基共晶体系超高温合金是目前最有希望应用于超高温环境的材料之一.目前的研究还仅仅停留在合金化改善其综合性能及抗氧化涂层的制备等方面,而对其共晶凝固机理等更深层次的研究还较少.从Nb基超高温合金铸态、定向凝固态组织及相组成等角度入手对该合金的微观组织变化规律进行了分析和总结;并对Nb基超高温合金共晶凝固机理的研究进展进行了综述;此外,还讨论了该合金目前仍需解决的问题.     

Nb基超高温合金的制备技术及定向凝固组织

Nb基超高温合金的制备技术主要包括粉末冶金、真空电弧熔炼和定向凝固等，其中定向凝固可以显著提高该合金的高低温力学性能。Nb基超高温合金的定向凝固组织主要由沿着定向凝固方向生长的初生Nbss枝晶、铌硅化物块或板条以及（Nbss＋铌硅化物）共晶等组成，定向凝固速率和固液界面前沿液相中的温度梯度会显著影响其组织形貌及尺寸。在其定向生长过程中，Nbss、铌硅化物及（Nbss＋铌硅化物）共晶各相之间竞争生长，形成不同的组织形貌及尺寸，但在合适的条件下，共晶两相可以实现平行耦合生长。     

定向凝固陶瓷共晶复合材料

简述了这向凝固陶瓷共晶和昨合材料的特点，介绍了和生产定向凝固陶瓷共晶材料的方法，描了陶瓷共晶凝固参数一民组织的关系，并列举了一些氧化物、碳化物、硼化物共晶体系的机械性能，同时指出，定向凝固陶瓷共晶和复合材料有希望成为新的超高温材料。     

Nb基超高温合金制备及定向凝固用坩埚的选择

目前Nb基超高温合金的制备主要是通过多次电孤熔炼得到成分均匀的铸锭.其定向凝固或者是在水冷铜坩埚内采用Czochralski技术进行,或者是采用不需要坩埚的悬浮区熔法实现,但这两种方法都不能得到较高的温度梯度.为了获得更好的定向凝固组织,需要在超高温超高真空定向凝固设备上进行有坩埚的整体定向凝固.结合国内外共晶自生复合材料常用的制备技术,提出了适用于铌基超高温合金整体定向凝固技术的坩埚材料及其涂层技术.     

亚共晶Ni-Si合金的凝固组织特征研究

采用布里奇曼定向凝固技术制备了NiNi3Si亚共晶复合材料,系统地研究了Ni-Ni3Si亚共晶的定向凝固组织特征。在较低的凝固速率R=3μm/s时亚共晶成分的合金为规则的层片共晶组织。随着凝固速率的增大,当R=8μm/s时,平界面失稳,在第二相的旁边出现浅胞状组织。当R=25μm/s时在析出相的旁边出现了突起的胞状组织。当R=40μm/s时由于固液界面前沿的成分过冷逐渐增大,凝固组织生长成为典型的树枝晶组织。并根据"成分过冷"判据,评估了固液界面前沿的"成分过冷"的大小,理论计算与实验结果基本吻合。此外,根据BH模型计算和比较了α-Ni相的界面生长温度和共晶界面生长温度,证明较高速定向凝固下不太可能制备出全耦合生长的共晶组织。随凝固速率的增大,一次枝晶间距减小,组织细化。     

定向凝固条件下Al-35%La过共晶合金的组织演变

在常规凝固条件下,Al-35%La过共晶合金可形成周期性双相枝晶组织,这种组织类似于带状组织,即其中枝晶的成分沿生长方向是周期性变化的。为了研究这种组织的形成条件,采用定向凝固技术研究了凝固速度对Al-35%La合金形貌特征的影响。结果表明:在不同凝固速度条件下,Al-35%La合金均形成周期性双相枝晶组织;同时发现:随着凝固速度的提高,初生相Al11La3呈现从周期性双相胞晶→周期性双相枝晶→周期性双相细胞晶的演变规律。在此基础上,讨论了这些组织形态的形成机理。     

Ni3Al+Ni7Hf2定向共晶合金的凝固行为

研究了Ni3Al/ Ni7Hf2定向共晶复合材料的组织和凝固行为。结果表明, Ni- 5.8Al-32Hf 和 Ni-4Al-26Hf-8Cr-4W 合金是这类Ni3Al/ Ni7Hf2定向共晶复合材料的合适成分。这两种合金在铸态下存在Ni3Al和Ni7Hf2相。缓慢凝固时会出现少量β-NiAl相。三元合金和五元合金的凝固范围分别为41℃和57℃,临界G/R值分别为5×105和7×106℃*s*cm－2 。对三元合金在温度梯度G=250℃*cm－1 和生长速率R=5μm*s－1,对五元合金在G=350℃ cm－1和R=1μm*s－1 条件下制备了平行于生长方向定向排列Ni3Al/Ni7Hf2片状共晶材料。     

SCN-Cam共晶合金的定向凝固研究

采用实时观测装置和定向凝固系统研究了SCN-Cam(Succinonitrile-wt%Camphor,wt%为质量分数)模型合金的凝固过程.实验结果表明,SCN-23.6%Cam共晶合金在常规条件下形成规则的共晶组织,共晶间距随界面推移速度的增大而减小;加入超声振动时,共晶合金生长出初生相;SCN-21%Cam亚共晶...     

Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金有坩埚整体定向凝固组织的演化

分析了Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金有坩埚整体定向凝固试样不同区域的组织,结果表明未熔区的组织由初生相Nbss、块状的(Nb,X)5Si3和少量的小块状Cr2Nb组成。在过渡区初生相Nbss依附在未熔区的Nbss优先生长,Nbss/(Nb,X)5Si3共晶组织生长比较混乱,在初生相Nbss枝晶间出现了富Ti的Nbss/Cr2Nb共晶团。稳态区组织中Nbss和(Nb,X)5Si3定向排列,实现了整体定向凝固。固/液界面形态为树枝状,在糊状区出现了Nbss/(Nb,X)5Si3、富Ti的Nbss/(Nb,X)5Si3和Nbss/Cr2Nb三种共晶组织,根据组织分析的结果并总结了其凝固路径,测试了不同区域组织的显微硬度,结果表明稳态区的(Nb,X)5Si3的显微硬度最高。     

抽拉速度对Ti-48Al-8Nb合金定向凝固组织的影响

采用Bridgeman定向凝固设备成功制备了Ti-48Al-8Nb(原子分数,%)合金定向凝固试样,分析了不同抽拉速度对柱状晶形貌及过渡区、稳态区和淬火区凝固组织的影响。实验结果表明:在不同抽拉速度下,柱晶沿抽拉方向生长良好,柱状晶内部片层取向一致,与生长方向呈45°、90°夹角;当抽拉速度为8μm/s时,固液界面以胞状形貌向前推进,抽拉速度增大到15μm/s时固液界面开始向树枝状生长转化,随着抽拉速度进一步增大,二次枝晶间距逐渐变小,组织明显细化,片层间距显著减小;组织中与生长方向垂直的片层组织所占比例随抽拉速度增大而增加。     

铸造Ti-1 5-3合金的凝固行为及组织分析

应用所设计的阶梯铸件的铸型,以及钨铼热电偶和由ADAM系列A／D数据采集及转换模块构成的计算机多通道温度数据采集处理系统,对Ti-15-3合金凝固冷却温度变化进行了实验测试与数据处理,测试了合金的浇注温度,液相线温度和固相线温度,得出合金的凝固温度区间为71℃,对合金阶梯铸件的补缩冒口进行宏观形貌观察表明：Ti－5－3高强钛合金的凝固呈集中补缩的特征,且孔洞内表面光滑,凝固组织观察表明：由于受金属铸型内壁激冷作用和铸件尺寸较小的影响,合金在接近铸型内壁或铸件尺寸较小部位处的铸态晶粒组织较细小,且出现较多黑色第二相的非平衡凝固组织。     

Influences of microstructure and orientation on fracture toughness of intermetallic phase Al2Cu‐based alloy under directional solidification

The influences of microstructures and orientations on fracture toughness of intermetallic phase Al₂Cu‐based alloys during different directionally solidified rates were investigated. With solidified rates increasing, the patterns of Al₂Cu phase dendrite turned from faceted V‐shaped morphology to elongated plate‐shaped morphology and discontinuous complex morphology in longitudinal section. Moreover, the deviation angle between the growth direction of Al₂Cu dendrite and the heat flow direction was increasing. Because of fine grain toughening and crack propagation path deflected by orientation, the fracture toughness of Al₂Cu‐based alloy was improved. The experimental results showed that improving the brittleness could be well achieved under higher directionally solidified rate.     

凝固速度对Ni/Ni3Al基高温合金组织演变及相变行为的影响

Ni/Ni3Al基高温合金因其优异的高温强度、抗氧化性能和抗蠕变能力等优点,被广泛应用于航空航天等领域.简要介绍了凝固速度对Ni/Ni3Al基高温合金中γ′,β相以及碳化物等析出相的组织演变及相变行为的影响,为Ni/Ni3Al基高温合金非平衡凝固的研究开发及组织调控提供借鉴和指导.Ni/Ni3Al基高温合金中γ′,β ...     

磁控共溅射Ni3 Al合金薄膜的微观结构及电阻特性

研究了室温下采用直流磁控共溅射法在抛光玻璃和Si基底上沉积Ni3Al合金薄膜的制备工艺、微观结构和电阻特性.采用SEM、EDX、AFM、TEM等测试分析了不同基底、溅射功率、工作气压等因素对薄膜微观结构、成分比和电阻特性的影响.结果表明:采用大功率混合溅射可以得到多晶态Ni3Al纳米合金薄膜,且呈多层岛状生长.所得薄膜具有良好的导电性,与玻璃相比,在Si基底上的薄膜表面光滑平整,晶粒更小,电阻率略大.然而随着厚度的减小,薄膜的电阻率增加迅速,发生金属向绝缘体过渡的相变,而厚度较大时这种现象不明显,这表明Ni3Al薄膜相变与厚度及晶格中氧含量有关.     

时效温度对0Cr17Ni4Cu4Nb钢组织及力学性能的影响

以0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢为研究对象,分析了不同时效温度对其显微组织和力学性能的影响,并对试样断口特征进行了观察分析。结果表明:随着时效温度的升高(480~550℃),材料的抗拉强度σb和屈服强度σp0.2呈逐渐下降的趋势,而材料的断面收缩率Ψ和伸长率δ5呈逐渐上升的趋势;材料的冲击韧性aku受时效温度的影响比较明显,呈逐渐上升的趋势,其中在550℃时aku达到213.4(J·cm-2)。同时由断口观察分析结果显示,时效温度为550℃时拉伸断口的放射区最小,其塑性最好;冲击断口塑性变形最为明显,纤维区和剪切唇区所占的比例最大。0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢随着时效温度的升高,淬火马氏体基体开始回复、再结晶,逆转变奥氏体开始生成并长大,导致材料中的残余奥氏体含量增加,而残余奥氏体的存在有利于0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢保持良好的塑性和韧性。     

强磁场下Cu-50%Ag合金定向凝固过程中的组织及固液界面形貌演变

目的 研究强磁场下Cu-50%(质量分数)Ag合金定向凝固过程中的组织演变、固液界面形貌变化及溶质迁移行为,分析强磁场对金属凝固过程的作用机制,为强磁场下的金属材料制备提供理论借鉴和指导。方法 在不同的凝固速率与磁场条件下进行定向凝固和淬火实验,对合金的定向凝固组织、糊状区与固液界面形貌以及溶质分布行为进行考察。结果 强磁场破坏了凝固组织的定向生长,使凝固组织转变为枝晶与等轴晶共存的形貌;强磁场诱发了熔体对流,减少了糊状区中溶质的含量;强磁场改变了固液界面处的溶质分布和固液界面形貌,破坏了固液界面的稳定性。结论 强磁场通过洛伦兹力和热电磁力的共同作用,诱发了糊状区内液相的纵向环流,改变了固液界面及糊状区中的组织形貌与元素分布。     

9Ni钢组织演变、合金元素配分及增韧机理的研究

为了研究9Ni钢热处理过程中的组织演变和合金元素配分对强韧化的影响,采用QT(Quenching+Tempering)和QLT(Quenching+Lamellarizing+Tempering)工艺对9Ni钢进行了热处理,并详细分析了热处理过程中组织和成分配分的变化规律.结果表明:奥氏体化淬火后存在极少量的残余奥氏体(γR),主要富C和Si.580℃回火1 h时,QT工艺条件下原奥氏体晶界上逆转奥氏体(γ’)能富C、Si、Mn和Ni元素,晶内的γ’中无明显Ni和Mn富集;QLT处理后,合金元素发生了配分,所有富合金元素相中均富集C、Si、Mn和Ni元素.两相区保温后实现增韧归因于:板条马氏体基体的大角度晶界比例增加、晶粒细化;组织结构得到优化;增加了γ’形核点,使得γ’量增加,导致马氏体基体净化程度进一步提高.     

Ni元素对Sn-9Zn-3Bi无铅钎料显微组织和性能的影响

利用真空箱式电阻炉制备了Sn-9Zn-3Bi-xNi无铅钎料合金,并对其显微组织和主要性能(熔点、熔程、抗氧化性、润湿性、剪切强度)及钎焊接头断口形貌进行了分析。结果表明,少量Ni的加入可以细化Sn-9Zn-3Bi合金的显微组织,而对其熔点影响较小。当Ni添加量为0.1%和0.5%时,钎料的熔程变化不大,Ni添加量为1%时,钎料的熔程增大比较明显。随着Ni添加量增多,无铅钎料的抗氧化性能和润湿性能提高。Ni添加量在0.1%和0.5%时,钎焊接头的剪切强度变化不大,但韧性增加;Ni添加量在1%时,钎焊接头的剪切强度略有增大,但韧性降低。     

Effect of cooling rate on the 3D morphology of the proeutectic Al_3Ni intermetallic compound formed at the Al/Ni interface after solidification

Effect of cooling rate on the 3 D morphology and the growth mechanism of the proeutectic Al_3Ni intermetallic compound(IMC) that forms at the Al/Ni interface after solidification was investigated by synchrotron X-ray microtomography in combination with EBSD analysis. The proeutectic Al_3Ni phase that forms under an average cooling rate of 0.1 Ks~(-1) shows a characteristic faceted growth behavior and presents a typical 3 D morphology as partially hollow quadrangular prisms. On the contrary, that forms under an average cooling rate of 10 Ks~(-1) shows complicated dendritic morphology with asymmetrically distributed arms and faceted V-shape groove at the distal end, indicating a gradual transition of the growth behavior from non-faceted to faceted during the solidification process. These results reveal that the morphology of the proeutectic Al_3Ni is highly sensitive to the solidification condition so that fine control of the desired morphology may be achieved by carefully manipulating the cooling profile.