定向凝固NIAL-CR（MO）-W/NB合金的拉伸蠕變行為

齊義輝，郭建亭

定向凝固NIAL-CR（MO）-W/NB合金的拉伸蠕變行為

齊義輝1，郭建亭2

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

采用SEM和TEM分析蠕變前、后的顯微組織，研究定向凝固NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金在1 223~1 373 K溫度區(qū)間的拉伸蠕變行為的機理。結(jié)果表明：定向凝固NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金的橫向顯微組織為典型的胞狀共晶，縱向顯微組織具有明顯的方向性，Cr(Mo)相以片層狀沿凝固方向分布。在所采用的溫度和外加應(yīng)力條件下，合金蠕變曲線均具有較短的減速蠕變階段和相當長的穩(wěn)態(tài)蠕變階段及較高的蠕變應(yīng)變，蠕變應(yīng)變范圍為15%~28%。蠕變過程發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，蠕變過程是由擴散和位錯蠕變共同控制。合金蠕變斷裂主要受蠕變裂紋的形成與擴展的控制，蠕變斷裂的方式為沿相界的剝離。

NiAl基合金；定向凝固；蠕變；蠕變斷裂

由于NiAl和Cr都具有較好的高溫抗氧化能力，且NiAl與體心立方結(jié)構(gòu)的難熔金屬如Cr、Mo、W等具有較小的界面失配度，其共晶組織具有良好的高溫穩(wěn)定性，因此，20世紀70年代初，JOHNSON等[1]、YANG 等[2]、CHNENE 等[3]和 CLINE 等[4?5]對 NiAl-Cr，NiAl-Mo等偽二元共晶系進行系統(tǒng)的研究。隨著定向凝固技術(shù)的發(fā)展，NiAl與難熔金屬組成的偽二元共晶合金引起材料科學(xué)工作者的重視。通過控制定向凝固工藝參數(shù)可以獲得纖維狀(NiAl-Mo和NiAl-Cr)或?qū)悠瑺?NiAl-Cr- Mo)分布的NiAl共晶合金，從而大幅度提高NiAl合金的高溫強度和室溫韌性，獲得了迄今為止具有最佳綜合性能的NiAl基合金[6]。

為了提高NiAl合金的高溫性能，在NiAl中加入第IVB族元素，如Ti、Zr和Hf等，期望得到彌散分布的 Heusler相 Ni2AlX(X=Ti,Zr,Hf)來強化合金[7?10]。通過Hf元素的固溶強化、Ni2AlHf沉淀強化以及G相產(chǎn)生的沉淀強化，[001]取向的 NiAl單晶[11]具有優(yōu)異的高溫性能。美國GE公司已成功試車的AFN－20合金中也含有 0.5%Hf，起沉淀強化和固溶強化的作用[10]。為進一步改善 NiAl基合金的高溫強度和室溫韌性，本文作者以NiAl-28Cr-6Mo合金為基礎(chǔ)，探索以少量合金元素W和Nb替代Mo元素，制備定向凝固NiAl-28Cr-5Mo-0.5W-0.5Nb合金，研究其顯微組織和高溫蠕變行為。

1 實驗

用真空感應(yīng)爐熔煉成分為Ni 33、Al 33、Cr 28、Mo 5、W 0.5和Nb 0.5(摩爾分數(shù)，%)的NiAl基合金，澆鑄成直徑為36 mm、長為150 mm的圓棒狀鑄錠，除去鑄錠表面的氧化皮。采用改進的Bridgman技術(shù)在定向凝固爐中拉制成直徑為16 mm、長度為150 mm的圓棒狀合金，以下用DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb表示。合金的抽拉速度為5 mm/min，固液界面的溫度梯度為70~80 K/cm。平板狀蠕變樣品的標距段尺寸為2.5 mm×2 mm×16 mm，標距段方向為定向凝固的生長方向。恒載荷拉伸蠕變實驗在RCL?3型高溫蠕變實驗機上進行。試樣在空氣中隨爐加熱到預(yù)定溫度并保溫約10 min。測試溫度為1 223~1 373 K，蠕變載荷為50~100 MPa。顯微組織和斷口觀察在JSM?6310F冷場發(fā)射掃描電鏡和S?3000N掃描電鏡上進行。金相腐蝕液為10%HNO3+40%HCl＋50%冰乙酸(體積分數(shù))。透射電鏡試樣采用標準的離子減薄技術(shù)制備，在Philips Philips STEM型分析電鏡上進行，加速電壓為120 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金的顯微組織

圖1所示為DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金的背散射電子像。圖 1(a)是合金的橫向組織，為典型的胞狀共晶組織，共晶胞的尺寸較大，為100~200 μm，每個共晶胞組成一個“菊花”狀。胞界處分布有白色相，如圖1(a)中的“1”點，其能譜分析結(jié)果為 Cr 37.91、Nb 24.37、Ni 19.95、Mo 8.77、Al 7.98、W 1.02(摩爾分數(shù)，%)。經(jīng)分析，白色相為富含Nb和W的Cr(Mo)相，且Nb含量遠高于W含量，其晶體結(jié)構(gòu)是以Cr為基的體心立方晶體結(jié)構(gòu)，Mo、Nb、W、Ni和Al原子置換了晶格中的Cr原子，形成置換固溶體。因含有較多的原子序數(shù)大的元素，因此背散射電子像表現(xiàn)為白亮。此白色相不是Heusler相，也不是Laves相。而含0.5%Hf的NiAl-Cr(Mo)-Hf合金在胞界處則形成Heusler相[12]。圖 1(b)為 DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb 合金縱向的背散射電子像，具有明顯的方向性，Cr(Mo)相(淺白色)以明顯的片層狀沿凝固方向分布。

2.2 DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金的拉伸蠕變

2.2.1 蠕變曲線

圖2所示為DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金在恒載荷下的高溫拉伸蠕變曲線。由圖2可見，不同條件下的蠕變曲線具有相似形狀，即較短的減速蠕變階段和相當長的穩(wěn)態(tài)蠕變階段及較高的蠕變應(yīng)變，蠕變應(yīng)變范圍為15%~28%。這與定向凝固高溫合金DZ17G 的最高蠕變值28%接近，比等軸晶IN100合金(＜6%)高得多[13]。該合金穩(wěn)態(tài)蠕變階段持續(xù)時間約占總時間的80%以上，具有與典型高溫合金相似的蠕變過程。

2.2.2 蠕變機制

從蠕變曲線測得的穩(wěn)態(tài)(或最小)蠕變速率ε˙與溫度和外加應(yīng)力的關(guān)系可用冪指數(shù)蠕變方程來描述：

圖2 DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金的蠕變曲線Fig.2 Typical creep curves of DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb alloy:(a) Creep strain—creep time curve, 1 273 K; (b) Creep strain—creep time curve, 100 MP; (c) Creep strain rate—creep time

式中：A為與材料組織有關(guān)的常數(shù)；σ為外加應(yīng)力；n為應(yīng)力指數(shù)；Qc為表觀激活能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度。在恒溫及恒載荷條件下，可分別得到蠕變相關(guān)系數(shù)—應(yīng)力指數(shù)值和表觀蠕變激活能。

該合金穩(wěn)態(tài)蠕變速率與外加應(yīng)力的關(guān)系如圖3所示。測得的應(yīng)力指數(shù)n在1 273 K時為4.4，在1 373 K時為 4.0，隨溫度的升高而降低。這與 HIP NiAl-33.5Cr-0.5Zr和 NiAl-25%Cr合金的蠕變規(guī)律類似[14?15]。該合金穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關(guān)系如圖4所示，測得的表觀蠕變激活能是：80 MPa為530 kJ/mol，100 MPa為393 kJ/mol，也與HIP NiAl-33.5Cr-0.5Zr合金的蠕變規(guī)律類似[14]。得到的應(yīng)力指數(shù)值與純金屬和固溶合金的應(yīng)力指數(shù)值(n為4~6)相當。表觀蠕變激活能高于 Ni在奧氏體中自擴散激活能(265~285 kJ/mol)、Ni在 Ni3Al中自擴散激活能(300 kJ/mol)及Ni在NiAl中的自擴散激活能(220~300 kJ/mol)值[16]。在純金屬和固溶合金中，可以根據(jù)n值、Q值判斷蠕變變形機制，n值在4.5~6.0，為擴散支持下的位錯攀移；而Q值等于原子的自擴散激活能，則為擴散蠕變。但本文作者研究的該多相合金不能簡單地根據(jù)n值、Q值判斷蠕變變形機制。

圖5所示為合金在1 273 K，80 MPa，40 h條件下穩(wěn)態(tài)蠕變中期的TEM明場像。由圖5可看出，此合金為典型的亞結(jié)構(gòu)組織，出現(xiàn)了亞晶界，發(fā)生了動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，說明合金在高溫蠕變時發(fā)生了位錯的攀移。因此，位錯攀移是該合金蠕變的控制機制。這也與NiAl-Cr(Zr)和NiAl-Cr合金的蠕變機制相同[14?15]。同時，較高的表觀蠕變激活能表明合金中的Cr(Mo)第二相也通過 NiAl基體參與了蠕變變形?？傊摵辖鹪谘芯康膶嶒灧秶鷥?nèi)，蠕變變形過程不是由單一的擴散或位錯的運動所控制，應(yīng)該是復(fù)雜的由擴散和位錯運動共同控制。

圖3 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與外加應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Relationship between steady state creep rate and applied stress

圖4 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between steady state creep rate and temperature

圖5 在1273 K，80 MPa，40 h的條件下蠕變形成亞晶粒的TEM像Fig.5 TEM image of sub-grain boundary in sample crept at 1 273 K, 80 MPa, 40 h

2.3 蠕變斷裂

圖6所示為蠕變樣品靠近斷口的側(cè)面組織。由圖6可見，在斷口附近的相界處出現(xiàn)孔洞，且已形成孔洞串，有的垂直于應(yīng)力方向，有的與拉應(yīng)力近似成45?角。遠離斷口的組織形貌未發(fā)生變化，仍為較規(guī)則的層片狀。蠕變后的組織變化不明顯，表明合金蠕變斷裂主要受蠕變裂紋的形成與擴展控制。

蠕變樣品的斷口形貌(見圖7)表明，蠕變斷裂的方式為沿相界的剝離，且相界處可見較大的孔洞。這與圖6的觀察結(jié)果一致。

圖8所示的蠕變斷裂數(shù)據(jù)遵守Monkman-Grant規(guī)律，可表達為

蠕變斷裂時間(tf)與溫度和外加應(yīng)力的關(guān)系(見圖9)可寫成[17]：

圖6 在1 248 K，100 MPa的條件下蠕變形成樣品靠近斷口的側(cè)面組織Fig.6 Side surface micrograph near fracture section for sample crept at 1 248 K, 100 MPa

圖7 在1 273 K，80 MPa的條件下蠕變斷口形貌Fig.7 Fractograph of sample crept at 1 273 K, 80 MPa

圖8 蠕變斷裂時間與最小蠕變速率的關(guān)系Fig.8 Relationship between creep crack time and minimum creep rate

式中：tf為蠕變斷裂時間；B為常數(shù)；σ為外加應(yīng)力；m為應(yīng)力指數(shù)；Qf蠕變斷裂激活能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對溫度。外加應(yīng)力為80 MPa時，蠕變斷裂激活能Qf=605 kJ/mol，高于表觀蠕變激活能。

圖9 蠕變斷裂時間與溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship between creep crack time and temperature

3 結(jié)論

1) DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金的橫向組織為典型的胞狀共晶，共晶胞的尺寸較大，每個共晶胞組成一個“菊花”狀?？v向組織具有明顯的方向性，Cr(Mo)相以明顯的片層狀沿凝固方向分布，胞界處分布有白色相，為富含Nb和W的Cr(Mo)相。

2) DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb合金的蠕變曲線具有相似形狀，即較短的減速蠕變階段和相當長的穩(wěn)態(tài)蠕變階段及較高的蠕變應(yīng)變，蠕變應(yīng)變范圍為15%~28%。蠕變過程發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，蠕變過程是由擴散和位錯蠕變共同控制。合金蠕變斷裂主要受蠕變裂紋的形成與擴展控制，蠕變斷裂的方式為沿相界的剝離。

REFERENCES

[1] JOHNSON D R, CHEN X F, OLIVER B F, NOEBE R D,WHITTENBERGER J D. Processing and mechanical properties of in situ composites from the NiAl-Cr and the NiAl-(Cr, Mo)eutectic systems[J]. Intermetallics, 1995, 3: 99?113.

[2] YANG J M, JENG S M, BAIN K, AMATO R A. Microstructure and mechanical behavior of in situ directionally solidified NiAl/Cr(Mo) eutectic composite[J]. Acta Mater, 1997, 45:295?305.

[3] CHEN X F, JOHNSON D R, NOEBE R D, OLIVER B F.Deformation and fracture of a directionally solidified NiAl-28Cr-6Mo eutectic alloy[J]. J Mater Res, 1995, 10:1159?1170.

[4] CLINE H E, WALTER J L, LIFSHIN E, RUSSELL R.Structures, faults, and the rod-plate transition in eutectics[J].Metall Trans B, 1971, 2B: 189?194.

[5] CLINE H E, WALTER J L. The Effect of alloy additions on the rod-plate transition in the eutectic NiAl-Cr[J]. Metall Trans B,1970, 1B: 2907?2917.

[6] JOHNSON D R, OLIVER B F, NOEBE R D,WHITTENBERGER J D. Compressive strength of directionally NiAl-based polyphase in situ composites in the NiAl-Ta-X(X=Cr,Mo, V) systems[J]. Intermetallics, 1995, 3: 493?503.

[7] POLVANI R S, TZENG W S, STRUTT P R. High temperature creep in a semi-coherent NiAl-NiAlTi alloy[J]. Metall Trans A,1976, 7A: 33?40.

[8] STRUTT P R, POLVANI R S, INGRAM J C. Creep behavior of the Heusler type structure alloy Ni2AlTi[J]. Metall Trans A, 1976,7A: 23?33.

[9] OH-ISHI K, HORITA Z, NEMOTO M. Microstructure and strength of B2-ordered NiAl containing L21-Ni2AlHf precipitates[J]. Mater Sci Eng A, 1997, 239/240: 472?478.

[10] DAROLIA R, WALSTON W S. Development and characterization of high strength NiAl single alloys[C]//NATHAL M V, DAROLIA R, LIU C T, MARTIN P L,MIRACLE D B, WAGNER R, YAMAGUCHI M. Structural Intermetallics. Warrendale, PA: TMS, 1997: 585?594.

[11] WHITTENBERGER J D, LOCCI I E, DAROLIA R, BOWMAN R R. 1 300 K creep behavior of [001] oriented Ni-49Al-1Hf(at.%) single crystal[J]. Mater Sci Eng A, 1999, 268:165?183.

[12] GUO J T, CUI Y Y, CHEN Y X, LI D X, YE H Q.Microstructure, interface and mechanical properties of the DS NiAl/Cr(Mo, Hf) composite[J]. Intermetallics, 2001, 9(1):28?39.

[13] 袁 超, 郭建亭, 楊洪才, 王淑荷. 定向凝固鎳基高溫合金的高溫蠕變[J]. 金屬學(xué)報, 1998, 34(8): 858?863.YUAN Chao, GUO Jian-ting, YANG Hong-cai, WANG Shu-he.High temperature creep of a directionally solidified Ni-base superalloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 1998, 34(8): 858?863.

[14] 齊義輝, 郭建亭, 崔傳勇. NiAl-Cr(Zr)金屬間化合物的高溫蠕變[J]. 金屬學(xué)報, 2001, 37(9): 957?960.QI Yi-hui, GUO Jian-ting, CUI Chuan-yong. High temperature creep of NiAl-Cr(Zr) intermetallic alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2001, 37(9): 957?960.

[15] NOEBE R D, CULLERS C L, BOWMAN R R. The effect of strain rate and temperature on the tensile properties of NiAl[J]. J Mater Res, 1992, 7(3): 605?612.

[16] 張光業(yè), 郭建亭, 張 華. NiAl-25%Cr合金的高溫蠕變行為[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2006, 16(11): 1882?1887.ZHANG Guang-ye, GUO Jian-ting, ZHANG Hua. High temperature creep behavior of NiAl-25%Cr alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(11):1882?1887.

[17] GUO J T, RANUCCI D, PICCO E, STROCCHI P M. An investigation on the creep and fracture behavior of cast Nickel-base superallloy IN738LC[J]. Metall Trans A, 1983, 14:2329?2335.

Tensile creep behavior of directionally solidified NiAl-Cr(Mo)-W/Nb alloy

QI Yi-hui1, GUO Jian-ting2
(1. School of Materials Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

The microstructures before and after creep were also analyzed by SEM and TEM. The tensile creep behavior and mechanisms of directionally solidified (DS) NiAl-Cr(Mo)-W/Nb alloy were investigated in the temperature range of 1 223?1 373 K. The results show that the transverse microstructure of DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb alloy is typically eutectic cell of NiAl matrix and Cr(Mo) phase. The lamellar Cr(Mo) phase of the longitudinal microstructure is arranged along the direction of the directional solidification. At the present experiment, all of the creep curves of DS NiAl-Cr(Mo)-W/Nb alloy have the similar shape, i.e. shorter primary creep, longer steady state creep stage and higher creep strain. The creep strains are 15%?28%. The creep deformation mechanism is probably controlled by high temperature diffusion and dislocation creep. The creep fracture of this alloy is controlled by formation and propagation of the cracks at the phase boundaries, and the creep fracture mode is debonding along the phase boundary.

NiAl-based alloy; directional solidification; creep; creep rupture

TG146.5

A

1004-0609(2010)10-1977-05

遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(20021071)；遼寧省教育廳科學(xué)研究資助項目(2004C002)；遼寧省教育廳創(chuàng)新團隊資助項目(2006T078)

2009-05-25；

2010-03-25

齊義輝，教授，博士；電話：13941657833；E-mail：qiyihui65@163.com

(編輯 李艷紅)