稀土微合金化NiAl-V共晶复合材料高温度梯度定向凝固生长机理

Now, the main problems restricting the application of the intermetallic compound NiAl-based alloy to high temperature aero-engine components are poor room-temperature toughness and low elevated strength. The combination of composite strengthen with directional solidification is an effective way to improve the mechanical properties of NiAl alloy. The growth mechanism of NiAl-V eutectic composites directionally solidified under high temperature gradient has not been studied in depth. The project tries to (1) prepare NiAl-V eutectic composites with the high temperature gradient directional solidification technology to achieve the purpose of strengthening and toughening the alloy;(2) research the solidification characteristics of NiAl-V eutectic in situ composites within a large composition range of Hypoeutectic - Eutectic – Hypereutectic to clarify the co-operative growth mechanism of ternary alloy;(3) on the basis of the research above，add rare earth elements Dy probe the mechanism of the effect of Dy on competition growth of the primary phase and eutectics, interface morphology and refinement of eutectics;(4) Make clear the response relationship of solidification parameters and microstructures，and reveal the interaction of the alloy elements and the microstructure evolution mechanism. Finally, study the room-temperature and high-temperature properties to clarify the relationship between microstructure and properties, reveal the strengthening and toughening mechanisms.This project provides a theoretical guidance and technical basis for the local rare earth resources advantage and the design and preparation of good performance of NiAl matrix composites. And also it has some significance for enriching the multiphase eutectic solidification theory under high temperature gradient.

目前，制约金属间化合物NiAl合金作为新一代航空发动机高温部件结构材料应用的主要问题是室温韧性差和高温强度低。将复相强化与定向凝固结合起来是提升NiAl合金性能的一个有效途径。NiAl-V共晶复合材料在高温度梯度下的定向凝固生长机理尚未深入研究。本项目试图利用高温度梯度定向凝固方法制备NiAl-V共晶复合材料，在亚共晶-共晶-过共晶大成分区间研究NiAl-V系共晶复合材料的凝固特征，明确三元合金中两相共生生长的机制；在以上研究基础上加入稀土元素Dy，探明元素Dy对凝固过程初生相和共晶相的竞争生长、界面生长形态、共晶组织的细化等产生的作用机理、凝固参数与微观组织的响应关系，揭示合金元素间的交互作用及组织演化规律。最后开展NiAl-V系共晶复合材料的室温、高温性能的研究，明晰微观组织与性能的响应关系及强韧化机理。本项目研究对发挥本地区稀土资源优势以及为设计和制备良好性能匹配的NiAl基复合材料提供理论指导，同时对丰富高温度梯度下多元共晶组织的凝固理论有一定理论意义。

目前，制约金属间化合物NiAl合金作为新一代航空发动机高温部件结构材料应用的主要问题是室温韧性差和高温强度低。将复相强化与定向凝固结合起来是提升NiAl合金性能的一个有效途径。本项目以等原子比NiAl-V共晶合金为研究对象，首先采用真空电弧熔炼工艺，制备出组织和成分均匀的母合金锭；对Dy合金化NiAl-V系共晶合金的微观组织与室温及高温性能的关联进行了研究。然后对跨共晶、过共晶大成分范围NiAl-V系共晶合金采用液态金属冷却法（LMC）定向凝固技术进行了定向凝固制备，研究了凝固速率和合金成分对定向凝固合金稳态生长区组织和固液界面形貌的影响规律。随生长速率的增加，NiAl-39V合金固液界面经历了平-浅胞-深胞的转变，对应的凝固组织也从平面层片共晶转变为胞状共晶。NiAl-43V合金的生长界面全部呈现共晶+枝状界面生长，凝固组织由初生V枝晶加层片共晶组成。. 定向凝固NiAl-39V和NiAl-43V合金的室温断裂特点均为准解理断裂。两种合金的室温断裂韧性最大分别为150μm/s时的25.22 MPa•m1/2和6μm/s时的22.679 MPa•m1/2。这主要归因于复相强化作用。裂纹再形核、裂纹钝化、裂纹桥接、裂纹偏转、界面剥离、剪切带韧化和微裂纹键合等韧化机制对两种合金的韧性提高做出了贡献。两种合金的高温压缩强度最大分别为6μm/s时的365.51MPa和6μm/s时的364.7MPa。高温强度比较NiAl（80Mpa）得到明显改善。定向凝固Dy合金化NiAl-39V和NiAl-43V合金的高温压缩强度约提升了8%和2%左右的幅度。高温压缩后试样的透射电镜分析表明，高温下NiAl相的塑性变形比V相大很多，产生的位错密度更高。片层错配处比相对规则片层更容易产生应力集中，产生更多的位错塞积。NiAl和V相界的半共格界面高的界面结合强度对位错运动产生很大的阻碍作用，而在NiAl/V界面处析出的DyNiAl颗粒会在界面处形成更多的位错缠结和位错塞积，为提高合金的强度做出了贡献。. 本项目研究对发挥本地区稀土资源优势以及为设计和制备良好性能匹配的NiAl基复合材料提供理论指导，同时对丰富高温度梯度下多元共晶组织的凝固理论有一定理论意义。