高温度梯度下NiAl-Cr-Mo共晶合金快速定向凝固过程相选择和组织形成机理

NiAl－Cr- Mo多元定向共晶复合材料以高熔点、低密度和高综合性能展现出广阔的应用前景。但国外只在低温度梯度、共晶点附近制备出了全共晶组织，且对凝固过程组织及缺陷形成机理研究不深入，对高温度梯度下过共晶合金凝固过程及强化相体积分数大、片层细密的全共晶定向制备机理的研究尚是空白，因此未能充分挖掘该材料性能潜力。本申请针对以上问题，试图利用高温度梯度定向凝固方法在共晶-过共晶这个较大的成分区间内研究NiAl－Cr- Mo共晶复合材料的凝固特征。弄清在高温度梯度的定向凝固过程中，温度梯度、抽拉速率、化学成分（包括Mo、Cr及微量的活性元素）对共晶生长过程初生枝晶相和共晶相竞争选择的作用机理，对平界面生长的共晶组织和组织缺陷以及胞状生长的共晶组织和胞侧界组织特征的作用规律。丰富多相共晶合金快速定向凝固的理论，也为在过共晶成分范围内制备出强化相体积分数大、细密、连续的全共晶组织提供凝固理论支持。

完成了任务书的全部研究内容。研究了高温度梯度下，不同抽拉速率时定向凝固NiAl-Cr(Mo)合金从共晶到过共晶的大成分范围内相选择和组织演化规律，探明了提高温度梯度和增大过共晶成分这一对相反的因素对初生相和共晶相竞争生长选择的作用机理。高温度梯度扩大了共晶耦合生长区范围，在过共晶条件下获得了全共晶组织，Cr(Mo)强化相的体积分数有了显著提高。随着抽拉速率的提高，由于G/V值减小，且固/液界面前沿Mo元素的富集加剧，共晶两相生长界面失稳，合金的凝固组织由平界面共晶向胞状共晶和枝状共晶转变，降低Mo含量能提高合金平/胞转变速率。此外，共晶片层间距其变化趋势基本符合J-H模型。提高温度梯度能增大定向凝固合金的平/胞和胞/枝转变速率，细化共晶片层间距，在更快的抽拉速率下获得全共晶组织。分析了平界面生长时片层缺陷产生的原因并提出了尽量减少缺陷的工艺条件，由于生长条件不同导致的应力不匹配和共晶生长过程中的扰动，在定向凝固NiAl-Cr(Mo)合金中产生了一些生长缺陷以调整片层间距。这些缺陷组织是由共晶生长的自身调节机制所决定的，但在实验过程中控制温度梯度和抽拉速率可以尽可能地减少共晶片层缺陷的出现和发展。探明了在共晶胞状生长时胞界组织粗化的原因，在较快的抽拉速率下获得了生长良好的胞状组织并分析了其形成机理，此时片层组织均匀，胞界处无粗大的短片状组织存在。经过分析和计算发现，相对于粗胞状生长时的共晶胞尖端过冷度，此时的胞尖端过冷度最小，界面稳定性最高，合金以浅胞状方式生长。研究了NiAl-Cr(Mo)合金的力学性能和强韧化机理，在过共晶合金中获得了高的室温断裂韧性和高温抗拉强度，分析了合金成分和凝固参数对性能的影响规律，随Cr、Mo元素含量的增大，Cr(Mo)强化相体积分数增大，合金的力学性能逐渐提高，生长良好的胞状组织有利于在较快的抽拉速率下获得高的力学性能，根据实验结果提出了高性能的组织特征和对应的凝固工艺参数。研究了不同抽拉速率下微量元素Hf和Dy对NiAl-32Cr-6Mo过共晶合金初生相和共晶相竞争生长、界面生长形态等的影响，研究了NiAl-32Cr-6Mo-0.05Hf(at.%)-0.1Dy(wt.%)合金的力学性能和强韧化机制。添加微量的高温强化元素Hf能提高高温强度，适量的稀土元素Dy能净化合金、减小胞间区域并细化组织，从而进一步提高合金性能。