Ag和稀土Y復合添加對金屬間化合物NiAl顯微組織的影響

高 崇，呂墨豪，杜興蒿

(沈陽航空航天大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110136)

B2結構的有序金屬間化合物NiAl具有密度低、熔點高、熱導率好和優(yōu)異抗氧化性而成為有望替代Ni基高溫合金的新型高溫結構材料。然而，普通制備態(tài)NiAl材料表現出的很低室溫拉伸塑性以及高溫強度嚴重削弱了它作為高溫結構材料的使用價值［1－2］。實驗證明，合金化是改善脆性材料性能最有效和最常用的方法。其中比較有特點的幾種合金化方法得到了材料學者的重視。(1)稀土元素在NiAl材料中間隙固溶度幾乎為零，且是很強的表面活性劑，因而，會明顯改善細化NiAl材料的鑄造微觀組織，進而提高其力學性能［3］;(2)在NiAl材料中固溶度很高的元素如Cu等，研究表明快速凝固條件下大量Cu固溶在NiAl晶格中可獲得一定量的拉伸塑性［4］;(3)在NiAl材料中固溶度很低的元素如Ag等，在NiAl合金中易形成韌性的第二相，通過第二相韌化改善合金的力學性能［5］。

令人感興趣的是［6－8］一些同樣是 B2晶體結構的稀土金屬間化合物具有良好的室溫塑性和韌性。例如，鑄造退火態(tài)YCu以及YAg室溫拉伸應變分別達到12%和20%，DyCu平面斷裂韌性KIC 值為23 MPa·m－2～28 MPa·m－2，都遠遠高于脆性的NiAl材料。在材料研究中，通過多種元素合金化從而制備多相微觀組織往往是改善脆性材料性能的最有效的方法。為此，我們在NiAl合金中加入Y和Ag元素，期望Y和Ag元素同時發(fā)揮韌化作用，從而改善NiAl的組織性能。

1 實驗材料及方法

實驗采用 99.9 Ni，99.9 Al，99.9 Y，99.9 Ag(wt.%)為原料，在氬氣保護下，利用非自耗鎢電極，在水冷銅坩堝中熔煉不同Y和Ag(Ag:Y=1∶1，at.%)含量的合金錠，合金成份如表 1 所示。每次熔煉兩個合金錠，為了達到成分均勻，每個合金錠反復熔煉4遍。熔煉后重量損失小于5%，所以合金的實際成分近似接近名義成分。用線切割將所有合金錠一分為二，分為兩組。一組試樣做鑄態(tài)下的分析，另一組進行固溶化以及時效處理，固溶工藝為 1150℃，30 h，時效工藝為700℃，100 h。所得到的微觀組織和相組成通過光學顯微鏡(OM)，掃描電鏡(SEM)，能譜成分分析(EDS)以及X射線衍射(XRD)來表征。

表1 制備3種合金的化學成分

2 實驗結果與討論

圖1給出了不同含量Y、Ag的NiAl合金的顯微組織。從圖1(a)可以清楚地看到，低合金化的NiAl合金主要的微觀組織為等軸晶。部分晶粒有拉長的趨勢，這是由于本實驗采用的是水冷銅坩堝，冷卻速度比較快造成局部，特別是表面的順序凝固。圖1(b)和(c)表明在Y和Ag元素含量較高的合金中，隨著Y和Ag含量的增加改變了的合金的凝固行為，典型的糊狀方式凝固成為合金主要的凝固方式。特別是，枝晶逐漸細化，相關研究［9－10］表明，稀土元素在金屬間化合物中具有細化晶粒的作用。這是由于它是表面活性元素，可以降低金屬液體的表面張力，從而降低形成臨界晶核尺寸。另一方面，低熔點的Ag等元素在凝固過程中，在枝晶根部富集會有效地熔斷枝晶干，熔掉的枝晶成為非自發(fā)形核的質點，最后使組織明顯細化。

圖1 不同Y、Ag含量的NiAl合金的鑄態(tài)微觀組織形貌

圖2給出了相應合金固溶化處理后的組織。可以看到，合金的平均晶粒尺寸發(fā)生長大，無論是柱狀晶還是樹枝晶在固溶處理后，都轉變?yōu)榱舜执蟮牡容S晶粒。此外對于高Y、Ag含量合金，晶界處的第二相發(fā)生聚集粗化。相關研究表明［11－12］，出現這種現象可能是由于 Y、Ag 在 NiAl中的固溶度都比較小，并且固溶處理后高溫時效100 h，使得元素得到充分的擴散的結果。

圖2 高Ag，Y含量的NiAl固溶時效后的顯微組織

如圖3和圖4所示，分別給出了NiAl-Ag 5.0合金的SEM形貌以及其能譜分析，結果表明，基體相由為Ni、Al元素組成，如圖4(a)所示。圖4(b)為基體中的析出顆粒相，可以看到有富Ag相析出。圖4(c)為晶界處的成分分析，可以看到，不僅有Ag的富集，而且稀土Y也在晶界處偏聚。這是由于這兩種元素在NiAl合金中的固溶度都比較小，當含量增加到一定程度時，在晶界處發(fā)生偏聚。正是這種明顯的偏聚行為，改變了合金的凝固方式，進而改善了合金的凝固組織。

圖3 Ag 5.0 wt.%-NiAl合金的 SEM 形貌

圖4 Ag 5.0 wt.%-NiAl合金的 EDS 分析

圖5所示為3種合金的X射線衍射分析結果。結果表明，基體合金組織主要為NiAl相，隨著Y和Ag元素的不斷加入，在5.0YAg合金及10.0YAg和合金中，開始出現Y和Ag的化合物，元素Y與基體元素形成YAl3和Ni7Y2相，Y、Ag之間形成Ag2Y相。由于Ni、Al、Ag和 Y四種元素可能形成很多化合物，根據相圖及XRD衍射結果，沒有發(fā)現希望的韌性的YAg相析出，僅有類似的Ag2Y相存在。圖6給出了這2種合金的XRD分析結果，并且與相應的鑄造合金進行了比較，通過對比并沒有發(fā)現預期的B2-YAg相形成。這與合金熱力學與凝固條件有關，初步可以認為四元Ni-Al-Y-Cu(Ag)合金體系中，YAg化合物形成的熱力學傾向相比其他化合物較弱，進一步 的理論計算正在進行中。

圖5 鑄態(tài)NiAl合金的X射線衍射譜

圖6 固溶時效后NiAl合金的X射線衍射譜

3 結論

(1)Y和Ag元素的同時加入，可以顯著細化晶粒組織，但沒有在鑄態(tài)NiAl合金組織中發(fā)現B2-YAg化合物。而固溶時效處理加劇了Y、Ag元素在晶界處的偏聚，形成富Y及富Ag相化合物。

(2)Ag元素的加入可以對合金的凝固方式產生影響，合金的凝固方式由柱狀晶凝固轉變?yōu)榈湫偷暮隣钅谭绞?，并且形成胞狀樹枝晶，其平均共晶胞尺寸有逐漸減小的趨勢。

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