NiTiAl基合金中析出相的结构和强化机理研究

NiTiAl based alloys with high strength, low density and excellent oxidation resistance have attracted attention as novel high temperature structural materials used in aerospace and astronautics and machinery. Based on our previous study on the effects of Mo and Hf addition on the microstructures and mechanical properties of NiTiAl alloys, it is proposed that adding Nb and Mo (or Hf) elements to further strengthen the NiTiAl alloys. In this project, microstructures and distribution characteristics (size, quantity, morphology, distribution and orientation relationship) of the precipitate phases as well as the effects of heat treatment and the interaction mechanism between the precipitates and dislocation motions induced by deformation in Ni-Ti-Al-Nb-X(X=Mo、Hf) alloys will be investigated. Thus the relationship between the precipitate phases and mechanical properties will be found and the strengthening mechanism of the precipitates in multi-component NiTiAl alloys will be revealed. The research achievements will supply both theoretical and technological foundations to the development of high-strength NiTiAl alloys.

NiTiAl基合金由于具有高强度、低密度和良好的抗高温氧化性能，而成为一种新型高温结构材料，在航空、航天和机械等领域具有重要的应用前景。申请人在前期初步探索了Mo和Hf元素对NiTiAl基合金结构和力学性能影响规律的基础上，提出在NiTiAl合金中同时添加Nb和Mo(或Hf)进行多元强化，通过系统研究Ni-Ti-Al-Nb-X(X=Mo、Hf)合金中析出相的结构和分布规律（尺寸、含量、形貌、分布和位向关系），研究变形后合金的析出相变化和位错之间的作用机制，找到析出相结构与力学性能之间的关系，以及热处理的影响规律，从而揭示出析出相强化多元NiTiAl合金的内在机理，为发展高强度NiTiAl合金提供理论和技术基础。

NiTiAl基合金具有高强度、低密度和良好的抗高温氧化性能，作为一种新型轻质高温高强结构材料，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。本研究在NiTiAl合金中同时添加Nb和Mo(或Hf)进行多元强化，系统研究了Ni-Ti-Al-Nb-X(X=Mo、Hf)合金的微观组织及相组成、析出相的结构和分布规律，研究变形及热处理后合金的微观组织和力学性能变化规律，进而揭示出析出相强化多元NiTiAl合金的机理。.研究发现，Ni-45Ti-5Al-2Nb-1Mo合金铸态组织由NiTi基体、Ti2Ni相、(Ti,Nb)2Ni相和(Nb,Ti)SS相组成，等温锻造后晶粒内部弥散析出大量BCC结构的纳米(Nb,Ti)SS相，与NiTi基体具有半共格关系，二者晶格错配度为6.7%，起到沉淀强化的作用。Nb和Mo元素同时添加，降低了Mo在NiTi基体中的溶解度，并且Mo倾向于固溶在(Nb,Ti)SS相中，提高(Nb,Ti)SS相的硬度和强度。1060~1220℃固溶处理后，随着固溶温度升高，(Nb,Ti)SS相体积分数逐渐减少，1200℃时(Nb,Ti)SS相基本全部溶解，但是Ti2Ni相变化不明显。700℃时效处理后，合金中没有发现新的析出相。800℃时效100h后，晶粒内部析出大量的纳米尺寸Ni2TiAl相，与NiTi基体具有半共格关系，起到沉淀强化作用。.Nb和Mo添加后，显著提高了NiTiAl合金的室温和高温力学性能，这主要是由于Nb和Mo的固溶强化，Ti2Ni相的析出强化以及(Nb,Ti)SS相的沉淀强化作用。等温锻造后合金晶界上大块的硬而脆的Ti2Ni相被打碎，显著提高了合金的塑性。固溶时效处理后，消除了Nb元素在晶界及Ti2Ni相中的偏析，因此合金的室温强度和塑性进一步提高。800℃/100h时效后，由于Ni2TiAl相的沉淀强化作用，合金的强度提高但是塑性略微降低。.等温锻造Ni-43Ti-4Al-2Nb-2Hf合金由NiTi基体、Ti2Ni相及富Hf相组成。室温和650℃下，合金的屈服强度分别达到1070MPa和610MPa，这主要归因于Hf的固溶强化以及Ti2Ni相和富Hf相的析出强化作用。1100℃/6h固溶处理后，合金中的富Hf相的数量明显减少，Ti2Ni相基本消失，导致合金的高温屈服强度降低。本研究为发展高性能NiTiAl基合金奠定了理论和技术基础。