【摘 要】
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随着高超声速战机的快速发展,传统高温结构材料已不能满足更高航速与更远航时飞行器的使用要求,亟需开发新型轻质耐高温材料。NiAl因其低密度、高熔点、良好导热性、优秀抗高温氧化性及电磁屏蔽性能有望在未来替代Ni基高温合金,但单相NiAl存在室温脆性大,成形困难及高温强度低的特点,阻碍了其在航空航天中的进一步开发与应用。本文基于Ni-Al箔反应制备Ni-Al系层状结构板材,探索不同Ni/Al配比制备原位
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随着高超声速战机的快速发展,传统高温结构材料已不能满足更高航速与更远航时飞行器的使用要求,亟需开发新型轻质耐高温材料。NiAl因其低密度、高熔点、良好导热性、优秀抗高温氧化性及电磁屏蔽性能有望在未来替代Ni基高温合金,但单相NiAl存在室温脆性大,成形困难及高温强度低的特点,阻碍了其在航空航天中的进一步开发与应用。本文基于Ni-Al箔反应制备Ni-Al系层状结构板材,探索不同Ni/Al配比制备原位自生Ni3Al/NiAl基复合板与单相NiAl微叠层板组织结构与力学性能差异,揭示反应制备过程中Ni/Al配比（厚度比、原子比）、微观组织、理论平衡态相组成、力学性能及断口形貌之间的对应关系。Ni3Al/NiAl基复合板相较于单相NiAl微叠层板在高温条件下表现出更高强度,不同配比双峰层状晶NiAl粗细晶织构演变存在一定规律性,此研究对Ni-Al系材料在未来航空航天领域中的应用及其相关薄壁构件的成形有重要指导意义。将11层70μm Ni箔分别与10层20、30、40、50、60、70、80、90、100μm Al箔交替堆叠,分别得到R1:0.3（厚度比:R Ni/Al）、R1:0.4、R1:0.6、R1:0.7、R1:0.9、R1:1、R1:1.1、R1:1.3与R1:1.4叠层箔,而后于640℃/20 MPa/x h真空热压得到Ni-Al叠层板,热压反应结束后样品为Ni+Ni2Al3层状结构。在完全消耗Al层前提下确定各配比所对应一级反应时间x有所不同,R1:0.3为1 h;R1:0.4、R1:0.6与R1:0.7均为2 h;R1:0.9为4 h;R1:1、R1:1.1、R1:1.3与R1:1.4均为5 h。将炉内温度继续升高,在1200℃/20 MPa/1 h条件下反应制备原位自生Ni3Al/NiAl基微叠层复合板,不同配比对应二级反应结束后板材组织结构有所差异,其中R1:0.3～R1:0.7均为（Ni）+NiAl/Ni3Al复合层状结构,R1:0.3样品相组成为Ni+Ni3Al、R1:0.4与R1:0.6均为Ni+NiAl+Ni3Al、R1:0.7样品为NiAl+Ni3Al;R1:0.9～R1:1.4均为单相NiAl层状结构,R1:0.9与R1:1为较完全粗晶组织,而R1:1.1～R1:1.4均为双峰层状晶组织。单相NiAl织构随Al含量的增大而不断发生改变,在Al相对含量较低样品中粗细晶层保持一致的{111}取向,随细晶层占比不断增加,粗晶层织构发生偏转,可在较高Al相对含量样品中观察到粗细晶完全不同的取向状态,其中粗晶层表现为{111}＜112＞织构,细晶层表现为{001}＜110＞织构。R1:0.6样品具有较高的高温强度,其800℃、900℃及1000℃条件下抗拉强度分别为324.63 MPa、228.73 MPa和140.03 MPa;R1:0.9样品具有更高的高温延伸率,在800℃、900℃及1000℃条件下延伸率分别为98.69%、139.22%和161.83%。室温条件下,Ni3Al/NiAl基复合板主要表现为解理/准解离断裂+韧窝断裂的复合断裂特征或是单一解理断裂特征;单相NiAl基微叠层板粗晶层表现为穿晶解理断裂特征,而细晶层表现为脆性沿晶断裂特征,R1:1.4样品较为特殊,其细晶层仍呈冰糖状沿晶断裂特征,粗晶层与细晶层相同,也表现为脆性沿晶断裂。高温条件下（800℃）,Ni3Al/NiAl基复合板表现为单一解理断裂或是解理断裂+准解理断裂的复合断裂特征;单相NiAl基微叠层板表现出准解理断裂+韧窝断裂的复合断裂特征,具有明显双峰层状晶结构的Ni/Al配比样品中,细晶层断口形貌为具有一定宽度的沟壑,R1:1.4样品较为特殊,在800℃拉伸条件下,断口仍呈室温条件下断口形貌特点,表现为单一脆性沿晶断裂。R1:0.6样品因其适宜的密度及较为优异的综合力学性能有望在未来应用于航空航天领域。
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