Ni3Al基合金单晶生长规律研究

目前已获得应用的Ni3Al基合金多为等轴晶或定向柱晶，若能制备出Ni3Al基单晶合金，将可进一步提高合金的力学性能和承温能力，应用前景十分广阔。本申请项目拟通过研究Ni3Al基合金单晶制备过程中的晶粒形核、竞争生长与晶粒淘汰过程，探明不同取向枝晶竞争机制；研究合金化元素在凝固过程中的溶质再分配行为及其对固液界面形态的影响，探明合金化元素对Ni3Al基合金晶体生长过程的影响机制；研究温度梯度、晶体生长速率和预埋籽晶等因素对Ni3Al基单晶合金晶体生长方式和晶体取向的影响机理，揭示Ni3Al基合金单晶生长规律。本申请项目拟采用籽晶法研究Ni3Al基单晶合金不同晶体取向的精确控制机理，实现Ni3Al基单晶合金晶体取向的三维可控，弄清晶体取向对力学性能的影响机制，为Ni3Al基单晶合金的工程应用奠定坚实的理论基础。揭示的Ni3Al基合金的单晶生长规律，可进一步完善金属间化合物基材料的晶体生长理论。

本申请项目研究了Ni3Al基合金单晶制备过程中的晶粒形核、竞争生长与晶粒淘汰过程，探明了不同取向枝晶竞争机制，研究结果表明：Ni3Al基单晶合金晶粒之间的竞争淘汰不取决于晶粒的大小，取决于晶粒之间的晶体取向及枝晶位相关系，择优生长取向与晶体生长方向偏离角小的晶粒具有最大的竞争淘汰能力，但枝晶的相互阻隔在晶粒竞争过程中也起着至关重要的作用； Ni3Al基单晶合金晶体取向为<001>方向的晶粒的竞争能力最强，晶体取向为<011>方向的晶粒竞争能力优于<111>方向的晶粒，但是优势不明显，两种取向的晶粒在竞争生长时，在有限的生长空间中很难相互竞争淘汰。研究了合金化元素对Ni3Al基单晶合金晶体生长规律的影响，结果表明：Ta的添加将引起Ni3Al合金固相线温度和液相线温度的升高，Mo的添加将降低固相线温度和液相线温度，Mo和Ta元素的添加均导致了结晶温度区间变大。包晶反应的存在导致了Ni3Al-2Mo合金在5~50 μm/s 速度下无法制备单晶。而Ni3Al和Ni3Al-2Ta合金均可在3~50 μm/s速度范围内制备单晶，且通过控制凝固速率可较好的遗传籽晶的取向。通过工艺参数的优化，可以精确控制Ni3Al基单晶合金的晶体取向。以上研究成果为Ni3Al基单晶合金的工程化应用奠定了良好的基础。