小平面相/非小平面相共晶的亚快速定向凝固特性与性能研究

Aiming at the poor ductility at ambient temperatures and the bad fabricability at high temperatures of the Ni3Si intermetallic compound, the electron beam floating zone melting technique is adopted to prepare the Ni-Ni3Si eutectic in situ composite by eutectic reaction, and the mechanical properties of the Ni3Si intermetallic compound can be improved on account of combining with Ni matrix. High-aligned and uniformly-distributed Ni3Si in the Ni matrix can be obtained by controlling the the directional solidification process. Microstructure of the Ni-Ni3Si eutectic in situ composites at sub-high solidification rates are studied in detail, the evolvement rule of solid/liquid interface can be indicated, the structure of the phase interface and the preferred orientation can be explicited by HRTEM, the growth mechanism of the faceted phase/non-faceted phase eutectic can be explained, and the theoretical model of the facted/non-faceted eutectic solidification can be established. Moreover, the relationship among solidification parameters, microstructures and properties can be achieved eventually. The present study can not only provide the technique support for the preparation of the high temperature structural materials, but also enrich and develop the eutectic solidification theory.

针对Ni3Si金属间化合物低的延展性、低的断裂韧性以及较差的高温抗蠕变性能等问题,本项目拟采用电子束悬浮区熔定向凝固技术，选择高延展性金属Ni做基体相，通过共晶反应获得Ni-Ni3Si共晶自生复合材料，从而使材料的综合力学性能得到改善。通过精确控制和优化定向凝固过程，制取组织超细化、体积分数可调且取向精度高的Ni-Ni3Si共晶自生复合材料，探明Ni-Ni3Si共晶的亚快速定向凝固组织特征，揭示不同凝固速率时固液界面的演化规律，明确相界面微观结构及晶体学位向关系，阐明小平面相/非小平面相的共生机制，建立小平面相/非小平面相共晶的定向凝固理论模型。在此基础上，考察Ni-Ni3Si共晶的高温力学性能，建立凝固工艺参数-凝固组织-材料性能之间的关系。这不仅为采用高梯度亚快速定向凝固技术制备高温结构材料的研究和实践提供技术支撑，而且对于丰富和发展共晶凝固理论也有重要的学术价值。

针对Ni3Si金属间化合物低的延展性、低的断裂韧性以及较差的高温抗蠕变性能等问题,本项目采用液固相变的方法，选择高延展性金属Ni做基体相，通过共晶反应获得Ni-Ni3Si共晶自生复合材料，以使材料的综合性能得到改善。首先采用电子束悬浮区熔定向凝固技术制备了在Ni基体上取向良好、分布均匀的Ni-Ni3Si共晶，探明了不同凝固速率的Ni-Si共晶合金的亚快速定向凝固组织特征、相组成；根据M-S界面稳定性理论，计算了不同凝固速率不同波长的干扰振幅随时间增长或随时间而衰减的函数S(w)，揭示不同凝固速率时固液界面的演化规律；然后研究了布里奇曼定向凝固Ni-Si共晶、亚共晶、过共晶的凝固组织特征和性能。布里奇曼定向凝固Ni-Si共晶的组织为规则层片共晶组织，随凝固速率增大，组织细化；选区电子衍射表明共晶的晶体学位向关系是（11(—)1(—)）Ni//（1(—)11）Ni3Si且[1 1 0]Ni//[2 1 1]Ni3Si，形成这样的位向关系符合界面能量最低原则；采用高分辨透射电镜研究了Ni-Si共晶的相界微观结构，两相共格时在<111>方向的错配度为5%，两相界面为半共格界面；在凝固过程中，观察到了层片调整现象，根据最小过冷度原理，任何大于或小于极限值的层片间距，都将发生分枝或合并进行层片间距的调整；采用双参数模型计算了亚稳Ni31Si12相和Ni3Si金属间化合物的标准生成焓，亚稳Ni31Si12相的的标准生成焓要比Ni3Si金属间化合物的标准生成焓越负，亚稳Ni31Si12相比Ni3Si金属间化合物越容易形成；研究了Ni-Ni3Si共晶的拉伸性能，拉伸曲线显示脆性断裂，采用四点弯曲法研究了Ni-Ni3Si共晶的疲劳性能，研究表明疲劳极限值为520MPa，裂纹在Ni-Ni3Si共晶处萌生，α-Ni相为解理断裂，断口处可观察到二次裂纹；采用BH模型计算了不同定向凝固速率下Ni-Si亚共晶、过共晶的界面生长温度，阐明了小平面相/非小平面相的共生机制；最后，考察了不同凝固速率的Ni-Si共晶、亚共晶、过共晶的显微力学性能，建立了凝固工艺参数-凝固组织-材料性能之间的关系。本项目的研究不仅为采用高梯度亚快速定向凝固技术制备高温结构材料的研究和实践提供技术支撑，而且对于丰富和发展共晶凝固理论也有重要的学术价值。