【摘 要】
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Ni-Al系金属间化合物以其优异的力学性能被广泛认为是有望取代传统镍基高温合金的新一代航空发动机叶片材料。其中,γ/γ?双相Ni3Al合金已经在航空航天领域成功应用,而提升Al含量制备β/γ?双相Ni3Al合金虽然可以获得密度、高温强度等方面的优势,但由于引入了β-Ni Al导致室温脆性的问题难以解决,至今在航空工业无法取得工程应用。对于铸造合金而言,凝固组织对最终的力学性能起着决定性作用,在材料
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Ni-Al系金属间化合物以其优异的力学性能被广泛认为是有望取代传统镍基高温合金的新一代航空发动机叶片材料。其中,γ/γ?双相Ni3Al合金已经在航空航天领域成功应用,而提升Al含量制备β/γ?双相Ni3Al合金虽然可以获得密度、高温强度等方面的优势,但由于引入了β-Ni Al导致室温脆性的问题难以解决,至今在航空工业无法取得工程应用。对于铸造合金而言,凝固组织对最终的力学性能起着决定性作用,在材料的加工过程中施加外磁场可以有效调控微观组织,进而改善力学性能。本文以富Al-Ni3Al基金属间化合物为研究对象,通过在定向凝固过程中施加不同强度的纵向稳恒磁场,研究磁场对β/γ?双相Ni3Al合金定向凝固显微组织和力学性能的影响。采用金相显微镜（OM）、X射线计算机断层扫描（XCT）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、室/中/高温拉伸、数值模拟等分析测试手段,对不同条件下得到的微观组织结构、晶体取向、力学性能进行了系统的分析,从而揭示了稳恒磁场对β/γ?双相Ni3Al合金定向凝固组织的调控机理,以及不同微观组织结构下合金的力学性能变化规律,获得主要结论如下:（1）通过研究较低抽拉速率条件下磁场对合金定向凝固组织的影响,发现拉速为10μm/s时,施加磁场可以破碎Ni Al枝晶,使其以颗粒形式存在于单晶Ni3Al基体上;进一步地,发现较低磁场下破碎后的Ni Al颗粒保持有一定<001>择优取向,Ni3Al基体的取向不受磁场影响,形成了单向Ni Al颗粒+单晶Ni3Al基体组成的新型复合结构材料,而在较大磁场时,Ni Al颗粒取向杂乱,形成了随机取向Ni Al颗粒+Ni3Al基体组成的复合结构。（2）研究了较高抽拉速率时磁场对合金定向凝固组织的影响,发现拉速为50μm/s和100μm/s时,磁场已不足以使枝晶破碎,但显著促进了高次枝晶生长,从而形成了彼此连接的枝晶网络;进一步地,发现拉速较大时磁场对Ni Al枝晶晶体取向的影响减弱,无法促使柱状晶向等轴晶转变（CET）。（3）研究了不同定向凝固组织时合金的室温力学性能,发现低磁场下的单向Ni Al颗粒+单晶Ni3Al基体组成的新型复合结构使合金的拉伸强度和断裂延伸率分别提升了19.5%和78.3%,获得了强度和塑性的同时提高,这得益于Ni Al相分布的改善和β/γ?特殊的界面结构;同时,在有效避免高磁场时横向晶界的干扰下,发现随机取向Ni Al颗粒+Ni3Al基体组成的复合结构也可对合金的力学性能起到积极作用。（4）进一步地,研究了新型复合结构的高温力学性能,发现在650℃拉伸时,合金的强度较室温大幅提升,这是由Ni3Al反常的强度-温度特性决定的;在1000℃拉伸时,发现在延伸率基本不降低的情况下,新型复合结构使合金的高温强度得到显著提升,这得益于Ni Al破碎后两相界面面积的增大,从而提高了位错网的密度,阻碍了位错运动。
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