Al-Ni-Y 三元合金定向凝固組織及高溫壓縮性能研究

周 凡 ，郭曉鑫

（1.天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300400；2.晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

定向凝固是指在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到具有特定取向柱狀晶的技術(shù)[1]。人們利用定向凝固技術(shù)讓晶粒沿受力方向生長，消除橫向晶界，高溫強(qiáng)度、蠕變性和持久特性、熱疲勞性能有大幅度的改善[2]。

富Al的Y-Ni-Al合金[3]表現(xiàn)出的諸如低密度、耐熱與耐蝕、細(xì)小晶粒結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，并且被證明具有高非晶形成能力，尤其是這個(gè)體系的金屬非晶和復(fù)合材料等具有出色的綜合性能。但多年來，人們對于鋁合金的定向凝固研究大多集中在二元鋁合金，尤其以Al-Cu、Al-Ni居多[4]。對于三元鋁合金凝固的研究大多也只是停留于相圖模擬階段，而對于三元鋁合金定向凝固更少有人觸及[5]。

1 實(shí)驗(yàn)

選用純度為99.7%的Al錠、純度為99.9%的Y和純度為99.9%的Ni作為原料，在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉成分為96.5 at%Al、2.6 at%Ni、0.9 at%Y的三元合金，澆鑄成尺寸為φ18mm×180mm的試樣棒，成為原始鑄態(tài)母材。將試樣棒放在φ20mm×200mm的石墨磨具內(nèi)，在真空熔煉氬氣保護(hù)定向凝固爐中進(jìn)行定向凝固。定向凝固工藝參數(shù)如下：溫度梯度為5K/mm，拉伸速率分別為1mm/min、5mm/min、10mm/min。選取個(gè)定向凝固條件下中間段試樣利用金相顯微鏡進(jìn)行橫截面和縱截面的金相組織觀察。采用Gleeble3500熱模擬機(jī)進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al-Ni-Y三元合金原始鑄態(tài)組織

根據(jù)原始鑄態(tài)Al-Ni-Y三元合金的X射線衍射分析結(jié)果，用material-studio軟件建立Al-Ni-Y可能形成相的模型與所設(shè)計(jì)合金的X射線圖譜進(jìn)行對比分析，可以確定95.6%Al、2.6%Ni、0.9%Y的三元合金鑄態(tài)原始組織為(Al)相、YAl3相和Al23Ni6Y4相。

圖1為Al-Ni-Y三元合金鑄態(tài)橫截面組織。根據(jù)能譜相組成分析得到，白色相為基體(Al)相，灰白色片呈層狀的為YAl3相，少量深黑色棒狀組織為Al23Ni6Y4，YAl3相和Al23Ni6Y4相較少。

圖1 Al-Ni-Y三元合金橫截面鑄態(tài)組織

2.2 Al-Ni-Y三元合金定向凝固試樣組織

圖2 不同下拉速率的Al-Ni-Y三元合金定向凝固組織

圖2為溫度梯度5K/mm下，下拉速度分別為1mm/min、5mm/min和10mm/min的Al-Ni-Y三元合金定向凝固試樣的組織對比，可以看出當(dāng)下拉速度為1 mm/min時(shí)，所生成的組織為胞狀晶，晶胞的形狀已經(jīng)比較細(xì)長。當(dāng)下拉速度為5mm/min和10mm/min時(shí)，所生成的組織為柱狀樹枝晶，但從縱截面組織可看出，下拉速度為5mm/min時(shí)具有柱狀樹枝晶的組織特征，下拉速度為10mm/min時(shí)枝晶發(fā)展，枝晶的尺寸增加，而且樹枝晶存在嚴(yán)重的斷裂現(xiàn)象，橫向晶界比下拉速率為5mm/min的組織要多。因此，下拉速度為5mm/min時(shí)所得到的定向凝固試樣的組織比較理想。

2.3 高溫壓縮性能

通過定向凝固工藝，使Al-Ni-Y三元合金在縱截面上獲得同一方向生長的組織，減少了橫向晶界，從而使Al-Ni-Y三元合金在縱向上的力學(xué)性能得到改善。由前面分析可以看到，當(dāng)GL=5 K/mm、R=5 mm/min時(shí)所得到的定向凝固試樣的組織形狀和排列比較理想，故選取此試樣，對定向凝固合金的高溫壓縮性能進(jìn)行研究。在變形溫度為350℃、400℃和450℃、應(yīng)變速率為0.001～1s-1、變形量為70%下進(jìn)行壓縮變形。不同變形條件下的峰值應(yīng)力如表1所示。

表1 定向凝固試樣在各實(shí)驗(yàn)條件下的峰值應(yīng)力

應(yīng)變速率相同時(shí)，峰值應(yīng)力隨溫度的升高而降低。變形溫度相同時(shí)，峰值應(yīng)力隨變形速率的減小而降低。鋁合金在熱加工時(shí)存在加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化兩個(gè)矛盾的過程，加工硬化主要是由變形時(shí)的位錯(cuò)增殖和位錯(cuò)間的相互作用引起的，動(dòng)態(tài)軟化主要由刃型位錯(cuò)的攀移或螺型位錯(cuò)的交滑移在熱激活和外加應(yīng)力的作用下發(fā)生位錯(cuò)的合并產(chǎn)生[6]。鋁合金屬于高層錯(cuò)能合金，主要軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)回復(fù)，定向凝固試樣熱壓縮時(shí)也發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

3 結(jié)論

（1）Al-Ni-Y三元合金凝固試樣包含的相有：(Al)相、YAl3相和Al23Ni6Y4相。

（2）合金定向凝固后，縱截面上各相生長取向發(fā)生明顯改變，獲得了同一方向（即熱流方向）生長的組織。在溫度梯度相同時(shí)，下拉速度為5mm/min時(shí)，其組織越均勻、有序，且縱截面組織生長為柱狀樹枝晶晶轉(zhuǎn)變。

（3）高溫壓縮時(shí)，在壓縮溫度相同的情況下，由于加工硬化，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增加。在應(yīng)變速率相同的情況下，由于動(dòng)態(tài)軟化，峰值應(yīng)力隨壓縮溫度的增加而減小。

[1]彭廣威,劉健,李理等.定向凝固理論及技術(shù)的研究現(xiàn)狀.鑄造設(shè)備研究,2005,4(8):44-47.

[2]周振平,李榮德.定向凝固技術(shù)的發(fā)展.中國鑄造裝備與技術(shù),2003,(2):1-3.

[3]彭德林,閔光輝等.二元Al-Li合金共晶復(fù)合材料的定向生長[J].金屬學(xué)報(bào),1996,32(9):993997.

[4]Gao M C.PhD Dissertation,Charlottesville,VA:University of Virginia.2002.

[5]Gao M C,Hackenberg R E,Shiflet G J.J Alloys Compd 2003,353:114.

[6]程虎.3104鋁合金熱變形行為研究.重慶大學(xué)碩士論文,2006.