微層TiB2-NiAl復合材料板材的制備及組織控制與力學行為.pdf

1、為滿足航空渦輪發(fā)動機葉片以及導向葉片對輕質(zhì)高強合金板材的需求,對NiAl基合金板材的研發(fā)與制備具有十分重要的理論和實際意義。本文以TiB2顆粒增強Al基復合材料板材(TiB2/Al)和純Ni板材為原料,采用軋制連接及反應合成方法,通過Ni與TiB2/Al中的Al反應生成NiAl基體,同時保留TiB2顆粒作為增強相,成功制備出微層TiB2-NiAl復合材料板材。一方面避免了對于脆性的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)的疊軋加反應合成制備NiAl基合金板材致密度低的缺陷,并且改善了增強體的強化效果和基體的韌化效果。研究了微層TiB2-NiAl復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合成過程中產(chǎn)物的組成、織構(gòu)演變和反應機理,對微層TiB2-NiAl復合材料板的室溫和高溫力學性能進行了檢測,分析了TiB2顆粒和獨特的層狀結(jié)構(gòu)對TiB2-NiAl復合材料板的組織與性能影響,并對微層TiB2-NiAl復合材料板的抗氧化行為進行了研究。

3、
　　多層Ni-(TiB2/Al)復合板的軋制試驗表明,TiB2/Al復合材料板與純Ni板有良好的變形協(xié)調(diào)性。通過對軋制變形后的多層Ni-(TiB2/Al)復合板的微觀組織觀察,界面結(jié)合良好,沒有界面反應發(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。
　　第一種反應合成方法包含了固相法兩步退火處理。多層Ni-(TiB2/Al)復合板在650℃反應退火時,有NiAl3和Ni2Al3生成。采用

4、了一個有效形成熱模型成功的預測了第一個生成相是NiAl3,和處在Ni/NiAl3內(nèi)界面的第二個生成相是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NiAl3和Ni2Al3形成和長大都沒有顯著影響。650℃反應退火時,NiAl3層向TiB2/Al層生長速率高于向Ni層生長速率,

5、原因在于NiAl3相在Al/NiAl3界面形核率更高。NiAl3層生長遵循拋物線生長動力學規(guī)律。多層Ni-(TiB2/Al)復合板經(jīng)過650℃/50h反應退火和再在950~1000℃高溫反應退火時,各個中間相不斷消耗,最終得到層狀的TiB2-NiAl復合板。在反應合成過程中TiB2沒有參與反應。950℃反應退火時,NiAl層生長遵循拋物線生長動力學模式。
　　由于固相法兩步退火處理獲得的TiB2-NiAl復合板中存在大量孔洞,難以

6、進行應用。我們開發(fā)了新的固液法反應合成工藝。多層Ni-(TiB2/Al)復合板經(jīng)過1200℃/3h/50MPa的固液反應后,形成微層的TiB2–NiAl復合板。所得復合板材具有獨特的單一粗晶NiAl層和富TiB2細晶NiAl層交替排列的結(jié)構(gòu)。反應合成過程中TiB2沒有參與反應。粗晶單一NiAl層有明顯的{111}<112>和{111}<110>織構(gòu)組分。這個織構(gòu)是通過擴散反應從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)來解釋。
　　通過軋制變形及固液反應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,顆粒含量沒有太大影響。<

8、br>　　隨TiB2顆粒的引入,微層TiB2-NiAl復合材料板材斷裂韌性增加。且微層TiB2-NiAl復合材料板的斷裂韌性與加載方向相關(guān),微層2vol.%TiB2-NiAl復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細晶NiAl層對裂紋擴展起到阻礙作用并使裂紋發(fā)生偏