微層TiB2-NiAl復(fù)合材料板材的制備及組織控制與力學(xué)行為.pdf

1、為滿足航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以及導(dǎo)向葉片對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)合金板材的需求,對(duì)NiAl基合金板材的研發(fā)與制備具有十分重要的理論和實(shí)際意義。本文以TiB2顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料板材(TiB2/Al)和純Ni板材為原料,采用軋制連接及反應(yīng)合成方法,通過(guò)Ni與TiB2/Al中的Al反應(yīng)生成NiAl基體,同時(shí)保留TiB2顆粒作為增強(qiáng)相,成功制備出微層TiB2-NiAl復(fù)合材料板材。一方面避免了對(duì)于脆性的NiAl基合金錠的直接軋制變形,大大降低了加工成本,另外

2、還克服了傳統(tǒng)的疊軋加反應(yīng)合成制備N(xiāo)iAl基合金板材致密度低的缺陷,并且改善了增強(qiáng)體的強(qiáng)化效果和基體的韌化效果。研究了微層TiB2-NiAl復(fù)合材料板的制備工藝,系統(tǒng)的研究了軋制變形和兩種反應(yīng)合成過(guò)程中產(chǎn)物的組成、織構(gòu)演變和反應(yīng)機(jī)理,對(duì)微層TiB2-NiAl復(fù)合材料板的室溫和高溫力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè),分析了TiB2顆粒和獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)對(duì)TiB2-NiAl復(fù)合材料板的組織與性能影響,并對(duì)微層TiB2-NiAl復(fù)合材料板的抗氧化行為進(jìn)行了研究。

3、
　　多層Ni-(TiB2/Al)復(fù)合板的軋制試驗(yàn)表明,TiB2/Al復(fù)合材料板與純Ni板有良好的變形協(xié)調(diào)性。通過(guò)對(duì)軋制變形后的多層Ni-(TiB2/Al)復(fù)合板的微觀組織觀察,界面結(jié)合良好,沒(méi)有界面反應(yīng)發(fā)生,但在Ni/(TiB2/Al)界面處的Al(Ni)固溶體層內(nèi)發(fā)現(xiàn)了高密度層錯(cuò)。
　　第一種反應(yīng)合成方法包含了固相法兩步退火處理。多層Ni-(TiB2/Al)復(fù)合板在650℃反應(yīng)退火時(shí),有NiAl3和Ni2Al3生成。采用

4、了一個(gè)有效形成熱模型成功的預(yù)測(cè)了第一個(gè)生成相是NiAl3,和處在Ni/NiAl3內(nèi)界面的第二個(gè)生成相是Ni2Al3。由于Ni/(TiB2/Al)界面高的濃度梯度,最初的NiAl3晶粒呈現(xiàn)出平行的柱狀晶結(jié)構(gòu)。然而由于Ni/NiAl3界面相對(duì)低的濃度梯度,大部分Ni2Al3晶粒呈現(xiàn)出等軸形貌。TiB2顆粒的添加對(duì)NiAl3和Ni2Al3形成和長(zhǎng)大都沒(méi)有顯著影響。650℃反應(yīng)退火時(shí),NiAl3層向TiB2/Al層生長(zhǎng)速率高于向Ni層生長(zhǎng)速率,

5、原因在于NiAl3相在Al/NiAl3界面形核率更高。NiAl3層生長(zhǎng)遵循拋物線生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律。多層Ni-(TiB2/Al)復(fù)合板經(jīng)過(guò)650℃/50h反應(yīng)退火和再在950~1000℃高溫反應(yīng)退火時(shí),各個(gè)中間相不斷消耗,最終得到層狀的TiB2-NiAl復(fù)合板。在反應(yīng)合成過(guò)程中TiB2沒(méi)有參與反應(yīng)。950℃反應(yīng)退火時(shí),NiAl層生長(zhǎng)遵循拋物線生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模式。
　　由于固相法兩步退火處理獲得的TiB2-NiAl復(fù)合板中存在大量孔洞,難以

6、進(jìn)行應(yīng)用。我們開(kāi)發(fā)了新的固液法反應(yīng)合成工藝。多層Ni-(TiB2/Al)復(fù)合板經(jīng)過(guò)1200℃/3h/50MPa的固液反應(yīng)后,形成微層的TiB2–NiAl復(fù)合板。所得復(fù)合板材具有獨(dú)特的單一粗晶NiAl層和富TiB2細(xì)晶NiAl層交替排列的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)合成過(guò)程中TiB2沒(méi)有參與反應(yīng)。粗晶單一NiAl層有明顯的{111}<112>和{111}<110>織構(gòu)組分。這個(gè)織構(gòu)是通過(guò)擴(kuò)散反應(yīng)從Ni板中的織構(gòu)遺傳得到的。NiAl織構(gòu)的產(chǎn)生能定性的基于Ni

7、相和NiAl相的密排面位相關(guān)系(N–W和K–S)來(lái)解釋。
　　通過(guò)軋制變形及固液反應(yīng)合成法制備了四種體系(顆粒含量分別為0.7vol.％,1.3vol.%,2vol.%,3.3vol.%)的TiB2-NiAl復(fù)合材料板,Al含量控制在51at.%Al~52at.%Al之間,隨著顆粒含量增加板材致密度略微降低,晶粒尺寸和層厚沒(méi)有明顯變化。納米硬度分布在9.5~9.6GPa,彈性模量分布在200~210GPa,顆粒含量沒(méi)有太大影響。<

8、br>　　隨TiB2顆粒的引入,微層TiB2-NiAl復(fù)合材料板材斷裂韌性增加。且微層TiB2-NiAl復(fù)合材料板的斷裂韌性與加載方向相關(guān),微層2vol.%TiB2-NiAl復(fù)合材料板平行于板材軋制方向加載的斷裂韌性為6.9±0.3MPa·m1/2,平行于法線方向加載的斷裂韌性達(dá)到7.5±0.5MPa·m1/2。裂紋蔓延沿著特定的晶面,接近{110}B2和{100}B2晶面族。富TiB2細(xì)晶NiAl層對(duì)裂紋擴(kuò)展起到阻礙作用并使裂紋發(fā)生偏