齊義輝, 李 慧, 楊旭光, 郭建亭

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121001;2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,沈陽(yáng) 110016)

NiAl具有高熔點(diǎn)、低密度、良好的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的抗氧化性等優(yōu)良性能,使其成為鎳基高溫合金的候選材料,但在室溫韌性差和高溫強(qiáng)度低阻礙了它的實(shí)用化[1,2]。為了改善室溫韌性,提高高溫強(qiáng)度,最有效的方法是在NiAl基體中加入第三組元進(jìn)行合金化。上世紀(jì)70年代,Walter和Cline等人系統(tǒng)地研究了NiAl-Cr共晶合金及合金化規(guī)律,以及凝固組織中第二相由棒狀向片層狀轉(zhuǎn)變的行為及機(jī)理[3,4]。Johnson[5]和Heredia[6]等人研究了NiAl-Cr定向共晶的室溫?cái)嗔研袨?NiAl-Cr的斷裂韌性值比二元NiAl提高了近兩倍。Noebe[7]等人總結(jié)了過(guò)渡族金屬和ⅢA族元素在NiAl中的合金化行為。通常情況下,P被認(rèn)為是鋼和高溫合金中的有害元素。然而,越來(lái)越多的關(guān)于 P在鋼和高溫合金中的有益作用被認(rèn)識(shí)。Cao和Kennedy[8]等發(fā)現(xiàn)適量的P能顯著提高變形 IN718合金的持久壽命并且有一峰值效應(yīng)。Guo[9]等研究了P對(duì)DZ417G合金持久性能的有益作用。微量元素 P[10～12],Ag[13],C[14]等

對(duì)二元NiAl合金組織和性能影響的研究表明,微合金化有效改善了NiAl合金的室溫塑性或韌性。但P元素在綜合性能較優(yōu)異的NiAl-34Cr合金的微合金化行為尚無(wú)報(bào)道,因此,本文研究不同成分的 P含量對(duì)NiAl-34Cr合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

用高純Ni,Al,Cr和Ni-14 P中間合金(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)作為原材料,在真空非自耗電弧爐中氬氣保護(hù)下熔煉合金錠。合金錠的名義 P含量分別為0.005%,0.02%,0.05%和0.15%,即NiAl-34Cr-0.005 P,NiAl-34Cr-0.02 P,NiAl-34Cr-0.05 P和NiAl-34Cr-0.15 P四種合金。每個(gè)合金錠反復(fù)熔煉三次,并采用電磁攪拌以保證其成分均勻性。由于紐扣錠試樣各部位的冷卻速度不同,因此,顯微組織的比較、共晶胞尺寸的測(cè)量和硬度的測(cè)量等,都盡可能地采用相同的取樣部位。共晶胞尺寸的測(cè)量是用線交截法截取 60個(gè)以上的共晶胞,分別測(cè)量每個(gè)共晶胞的尺寸,取平均值。硬度是測(cè)量五點(diǎn)以上的硬度,取平均值。高溫均勻化熱處理在SX2-4-13型高溫箱式電阻爐中進(jìn)行,分別進(jìn)行 1150℃,1200℃, 1250℃,保溫10h及爐冷處理。利用Axiovert-200-MAT型光學(xué)顯微鏡和 S-3000N型掃描電鏡觀察合金的顯微組織,腐蝕劑為5gFeCl3+65mlHCl+ 15mlCH3COOH溶液。利用BDX-3200型X射線衍射儀和QUIST-LEVEL-Ⅱ型能譜儀分析合金相組成和成分分布。利用HR-150DT型洛式硬度計(jì)測(cè)定合金硬度。壓縮實(shí)驗(yàn)在Gleeble1500試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)NiAl-34Cr-xP合金

2.1.1 顯微組織

四種P含量的NiAl-34Cr-xP鑄態(tài)合金接近紐扣錠底部的顯微組織如圖 1所示,四種 P含量的合金的顯微組織均為典型的胞狀樹(shù)枝晶組織,且生長(zhǎng)較為規(guī)則。隨著 P含量的增加,共晶胞的尺寸有逐漸減小的趨勢(shì),四種合金共晶胞平均尺寸約為 50μm, 40μm,30μm,20μm。

圖1 鑄態(tài)NiAl-34Cr-xP合金的顯微組織Fig.1 Themicrostructure of cast NiAl-34Cr-xP alloys (a)0.005%P;(b)0.02%P;(c)0.05%P;(d)0.15%P

2.1.2 相組成分析

圖2為P含量為0.05%和0.15%的鑄態(tài)合金的X射線衍射譜。圖3為NiAl-34Cr-0.15P合金的高倍組織及Cr,P元素的能譜面掃描圖。圖3a中的灰色基體為NiAl相,黑色粒狀或條狀相為Cr相。P含量較多的胞界處很好地對(duì)應(yīng)著 Cr元素的分布,如圖3b和3c所示。由于Cr相顆粒較小且分布較集中,以及NiAl相也固溶少量的Cr原子,Cr元素的面掃描圖與圖3a中Cr相并未很好地對(duì)應(yīng)。X射線衍射和能譜綜合分析表明,P含量為0.05%和0.15%的NiAl-34Cr-xP合金除了NiAl和Cr相外,在胞界處的NiAl和Cr相的相界面上還有Cr3P相,如圖3a中箭頭所指處。這與周健等人的研究結(jié)果不一致,他們認(rèn)為P在二元NiAl中形成Ni3P相[11]。能譜的進(jìn)一步分析表明,P元素主要分布在共晶胞的胞界處,胞內(nèi)分布較少。

圖2 鑄態(tài)NiAl-34Cr-xP合金的X射線衍射譜Fig.2 X-ray pattern of cast NiAl-34Cr-xP alloys

圖3 NiAl-34Cr-0.15P合金組織及元素面掃描圖 (a)顯微組織;(b)為圖(a)中Cr元素的面掃描圖;(c)為圖(a)中P元素的面掃描圖Fig.3 Microstructure and element area analysis of the NiAl-34Cr-0.15P alloy (a)microstructure;(b)distribution ofCr element of the fig.3(a);(c)distribution of P element of the fig.3(a)

2.1.3 合金的硬度

鑄態(tài)NiAl-34Cr-xP合金的洛氏硬度隨含P量的變化關(guān)系如圖 4所示。由圖可見(jiàn),隨著 P含量的增加,合金的硬度呈先升高后下降的趨勢(shì),且存在峰值。P含量為0.005%時(shí)合金的硬度約為40.3HRC。當(dāng)P含量為 0.02%時(shí)合金的硬度升高達(dá)到44.7HRC,硬度值較大,表現(xiàn)為P的固溶強(qiáng)化。隨著P含量繼續(xù)增加,當(dāng)P含量為0.05%和0.15%時(shí),合金的硬度分別為43.3HRC和43.0HRC,與NiAl-34Cr-0.02%P合金的硬度基本一致。

圖4 鑄態(tài)NiAl-34Cr-xP合金的洛氏硬度與P含量的關(guān)系Fig.4 Relation of the HRC hardness and P contentfor cast NiAl-34Cr-xP alloys

圖5為含P的NiAl-34Cr合金在1000℃時(shí)的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。三種合金均能夠進(jìn)行大量的塑性變形而沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。其中,NiAl-34Cr-0.005%P,NiAl-34Cr-0.02%P,NiAl-34Cr-0.05%P合金的壓縮屈服強(qiáng)度分別為 340MPa,360MPa, 330MPa,屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律與硬度的變化規(guī)律一致。

2.2 NiA l-34Cr-xP合金的均勻化熱處理

圖5 不同 P含量合金的高溫壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.5 The high-temperature compressive true stress-true strain curves of the alloys

2.2.1 熱處理后的顯微組織

圖6是經(jīng) 1200℃均勻化熱處理后四種成分合金的顯微組織,仍是胞狀樹(shù)枝晶,形貌沒(méi)有變化,但與同種成分的鑄態(tài)合金的組織相比,共晶胞的尺寸稍有增加。隨 P含量的增加,均勻化熱處理后的NiAl-34Cr-xP合金共晶胞的平均尺寸的變化規(guī)律與鑄態(tài)合金類(lèi)似,也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。進(jìn)一步的觀察表明,均勻化熱處理后,共晶胞中的Cr相有聚集長(zhǎng)大的傾向。

2.2.2 熱處理后的硬度

圖7給出了三個(gè)溫度均勻化處理后洛氏硬度與P含量的變化關(guān)系。隨著 P含量的增加,經(jīng)熱處理后合金的硬度仍呈先上升后下降的趨勢(shì),這與鑄造合金的規(guī)律一致。由圖可知,三個(gè)溫度的均勻化處理都使同種成分合金的硬度降低,且溫度越高,硬度降低幅度越大,這與組織的變化規(guī)律一致。

均勻化熱處理后合金中Cr相的聚集長(zhǎng)大和共晶胞尺寸的增大可能是導(dǎo)致硬度降低的原因。

圖6 1200℃處理后合金的顯微組織Fig.6 Microstructure of the heat-treated NiAl-34Cr-xP alloys at 1200℃ (a)0.005%P; (b)0.02%P;(c)0.05%P;(d)0.15%P

圖7 熱處理后NiAl-34Cr-xP合金的洛氏硬度與xP含量的關(guān)系Fig.7 Relation of the HRC hardness and P content for the heat-treated NiAl-34Cr-xP alloys

3 結(jié)論

(1)NiAl-34Cr-xP合金的鑄態(tài)組織為典型的胞狀樹(shù)枝晶組織,形狀較為規(guī)則,且隨著 P含量的增加,共晶胞的平均尺寸逐漸減小。均勻化熱處理后NiAl-34Cr-xP合金仍為胞狀樹(shù)枝晶,但共晶胞尺寸與同種成分的鑄態(tài)合金相比稍有增大。

(2)四種P含量的NiAl-34Cr-xP鑄態(tài)合金主要由NiAl和Cr相組成共晶組織。在P含量為0.05%和0.15%的合金中還存在Cr3P相。P元素主要分布在共晶胞的胞界處,胞內(nèi)分布較少。

(3)鑄態(tài)和熱處理后的NiAl-34Cr-xP合金的硬度都是隨 P含量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),硬度均在含 P量為 0.02%時(shí)達(dá)到較高值。經(jīng)1150℃,1200℃,1250℃三個(gè)溫度的均勻化熱處理都使同種成分合金的硬度降低,且溫度越高,硬度降低幅度越大。均勻化熱處理后合金中Cr相的聚集長(zhǎng)大和共晶胞尺寸的增大是導(dǎo)致硬度降低的原因。

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