金属间化合物高温结构材料一直是材料领域的研究热点之一,但金属间化合物作为高温结构材料的主要问题有:高温强度不足、室温脆性和抗氧化性能差等。近年来,Ni-Al-Zr共晶合金作为一种新型的高温结构材料,因其低密度、良好的抗氧化性和高强度等特性引起了国内外学者的广泛关注,通过合理调控Ni-Al-Zr合金的凝固组织和相组成,有望进一步改善合金的室温断裂韧性和高温强度。本文通过采用真空电弧熔炼和定向凝固等工艺制备了 Ni-Al-Zr共晶合金。首先,针对Ni75.5AlxZr24.5-x共晶合金的凝固特性和铸态组织进行了系统研究,选择Ni75.5Al13.5Zr11和Ni88Al4Zr8两种典型共晶成分,采用XRD、SEM、TEM和DSC等分析测试方法研究了合金的凝固路径和微观组织,并且采用显微维氏硬度、压缩实验、拉伸实验和三点弯实验等方法对合金力学性能进行分析。得到的主要结论如下:(1)Ni75.5AlxZr24.5-x铸态合金主要由Ni3Al和Ni7Zr2两相组成。随着Al含量的增加,Ni75.5AlxZr24.5-x合金成分从亚共晶→共晶→过共晶转变,初生相从Ni7Zr2(亚共晶)→Ni3Al(过共晶)转变,随后发生二元共晶转变L→Ni7Zr2+Ni3Al。随着Al含量增加,铸态合金的屈服强度和抗压强度逐渐增大,初生Ni3Al树枝晶的形成明显提高了合金的加工硬化能力。(2)Ni75.5Al13.5Zr11合金主要由Ni3Al和Ni7Zr2两种金属间化合物相组成。当抽拉速率V=5和500μm/s时,定向凝固组织为Ni3Al初生相+(Ni3Al+Ni7Zr2)共晶;当V=10 μm/s时,合金组织为(Ni3Al+Ni7Zr2)共晶。随着抽拉速率的增大,Ni75.5Al13.5Zr11合金共晶片层间距、初生相Ni3Al体积分数和室温断裂韧性值都逐渐减小,而合金的维氏硬度和屈服强度均得到增加,当V=500 μm/s时,合金的维氏硬度和屈服强度最高。(3)Ni88Al4Zr8合金主要由具有Fcc固溶体结构的γ-Ni相和金属间化合物Ni5Zr相组成。当抽拉速率V从5μm/s增大到500 μm/s时,定向凝固组织的淬火界面呈现出典型的树枝状界面。随着抽拉速率增大,初生γ-Ni相树枝晶的一次和二次枝晶间距(λ1和λ2)、初生相体积分数和共晶片层间距都逐渐减小。(4)随着抽拉速率增大,Ni88Al4Zr8合金的维氏硬度和屈服强度均得到增加,在V=500μ m/s高抽拉速率条件下,合金的硬度和屈服强度达到最大值,分别为420 HV和1105.3 MPa,约为低抽拉速率下合金相关性能的1.7倍和2.1倍。合金在变形过程中,首先在γ-Ni相固溶体中激发位错运动,其次位错塞积在γ-Ni相/Ni5Zr层状界面,然后传递到Ni5Zr相使其位错滑移先于解理断裂。