随着航空航天工业的发展,人们对高温结构材料的使用温度和综合力学性能提出了越来越高的要求。Ni3Al和NiAl金属间化合物具有一系列独特的优异性能,如高熔点、低密度和优异的抗氧化性能等,有望取代镍基高温合金成为新一代航空发动机涡轮叶片材料,但室温塑性差和高温强度低限制了 Ni3Al和NiAl基合金的应用。在材料制备过程中施加稳恒磁场,可改变体系内物质的传输行为,从而改变材料的微观组织,利用磁场对合金的凝固过程进行控制已经成为了一种非常重要的调控晶体生长的手段。本论文以Ni3Al和NiAl基金属间化合物为研究对象,在合金定向凝固过程中施加最高6T稳恒磁场,研究磁场对不同相组成的Ni-Al系金属间化合物凝固组织及力学性能的影响,并结合数值模拟分析磁场在合金定向凝固中的作用,探讨合金凝固组织与力学性能的关系。主要研究结果如下:1.研究了纵向磁场对γ/γ’两相Ni3Al基合金Ni-21.5Al-0.4Zr-0.1B(at%)定向凝固组织及力学性能的影响。结果发现低拉速下(<50μm/s)磁场使凝固组织发生了柱状晶向等轴晶转变(CET),且等轴晶呈取向排列,<001>方向与磁场方向平行。高拉速下(≥50μm/s)磁场改变了定向凝固组织中的枝晶形貌和一次枝晶间距,表现为一次枝晶间距增大,二次枝晶和三次枝晶的生长得到促进,试样边缘处的三次枝晶呈明显的迎流生长特征。结合数值模拟研究了凝固过程中的热电磁效应,从热电磁力使枝晶发生高温蠕变断裂的角度提出了磁场下定向凝固发生CET转变的模型,给出了发生CET转变的判据B≥kG-1.5R1.25,与现有实验结果相符。热电磁对流改变了凝固界面前沿的溶质分布,是枝晶形貌变化的主要原因。此外,磁场下定向凝固的样品相对于无磁场的样品,抗拉强度升高,塑性延伸率下降,同时加工硬化率增大,这是CET转变导致的细晶强化和位错增殖产生的加工硬化效应的综合结果。2.研究了纵向磁场对β/γ’型两相Ni3Al基合金Ni-26.5Al-0.4Zr-0.1B(at%)定向凝固组织以及力学性能的影响。结果显示磁场使定向凝固组织中的初生NiAl枝晶发生断裂,而枝晶间的Ni3Al相依旧保持定向生长,由此形成一种等轴细小的NiAl枝晶碎片+Ni3Al单晶基体的新型复合结构,为Ni3Al合金的强化提供了一种新的方法。该结构的性能较传统枝晶组织有较大的提升,拉伸强度和塑性延伸率分别提高了 6.9%和70.4%,这主要得益于NiAl相分布的改善。同时,针对磁场对定向凝固过程中不同相变反应生成次生Ni3Al相的影响分析发现,通过包晶反应生成的Ni3Al相随着断裂枝晶发生CET转变,形成两相等轴晶粒;而通过共晶反应生成的Ni3Al相的定向生长则不受磁场影响,依然为单晶或柱状晶。这主要是因为包晶Ni3Al相依附在初生枝晶上形核生长,而共晶反应生成的Ni3Al相与初生枝晶没有位向关系,仍沿着初始的位向生长。3.研究了纵向磁场对NiAl-Cr(Mo)-0.5Hf共晶合金的凝固组织和力学性能的影响。结果显示,以低拉速定向凝固NiAl-Cr(Mo)-Hf合金时,磁场使规则的片层状共晶组织发生退化,Cr(Mo)片层在冷却过程中变粗球化,同时共晶两相的位向关系消失。共晶组织中的热电磁力使凝固组织中出现大量位错等缺陷,降低了共晶的热稳定性,从而使片层状共晶组织在冷却过程中发生退化。此外,磁场改善了 NiAl-Cr(Mo)-Hf合金中Hf元素的分布,减少了共晶胞间粗大的Heusler析出相,提高了 NiAl基体中的Hf元素含量。这一方面是由于热电磁对流将一部分Hf溶质带入到液相中,降低了 Hf元素在枝晶间的偏析;另一方面是因为凝固组织中大量的晶体缺陷促进了 Hf原子在固相中的逆扩散,使Hf原子更多的固溶到基体中。由于磁场改善了 Hf元素的分布,磁场下定向凝固NiAl-Cr(Mo)-Hf合金的综合性能得到改善,塑韧性和强度均有一定的提升。4.研究了横向磁场对NiAl-Cr(Mo)-0.2Si近共晶合金的凝固组织和力学性能的影响。结果显示,随着抽拉速率的增大,NiAl-Cr(Mo)-Si近共晶合金定向凝固组织由平面共晶变为初生NiAl枝晶+胞状共晶,再到树枝状共晶。针对中等拉速(5和10 μm/s)时凝固组织中有初生枝晶存在,进一步在定向凝固过程中施加横向磁场,大幅减少了初生枝晶的含量,同时使初生枝晶偏聚到试样一侧边缘,在试样的绝大部分区域得到了全共晶的凝固组织,这是热电磁对流导致溶质径向偏析的结果。本文分析了横向磁场下合金中溶质偏析行为,发现多元合金中的溶质的偏析行为是由热电磁对流方向和溶质分配系数共同决定的,与溶质密度无关。此外,初生NiAl枝晶的出现严重影响合金的韧性,通过综合控制凝固参数和横向磁场大小,得到近似全共晶的组织,使合金的断裂韧性明显改善,达到17.30 MPa·m1/2,接近含有初生枝晶的样品的3倍,基本消除了杂质元素的不利影响。