DOC《Ni-Ni3Si共晶的制备工艺研究#》

Ni-Ni3Si共晶的制备工艺研究# 崔春娟,吴昆,马幼平,杨蕾,翟克勇*1.

51.51.5School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology;

School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology;

School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology;

School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology;

School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055;

西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055;

西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055;

西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055;

西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055710055;

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13389285889;

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029-82205104;

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西安建筑科技大学冶金工程学院;

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cuichunjuan@xauat.edu.cn;

wukong234@126.com;

youpingma615@yahoo.com.cn;

toucdh@126.com;

zhaikeyong@sina.com崔春娟(1972-),女,副教授,主要研究方向:共晶合金的定向凝固技术与理论;

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崔春娟;

吴昆;

马幼平;

杨蕾;

翟克勇CUI Chunjuan;

WU Kun;

MA Youping;

YANG Lei;

ZHAI Keyong崔春娟高等学校博士学科点专项科研基金新教师基金(20096120120017);

陕西省教育厅专项科研基金(09JK511);

凝固技术国家重点实验室(西北工业大学)开放课题(SKLSP200904);

西安建筑科技大学科技计划项目(人才科技基金RC0907)(JC1109)1.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*朱雪斌,马勤,季根顺,周琦.有序金属间化合物Ni3Si的研究新进展[J].材料导报,2001,15(12):24-262*|*期刊*|*贾磊,谢辉,吕振林. Ni3Si金属间化合物及其合金的研究现状与进展[J]. 铸造技术,2008,29(4):542-5453*|*期刊*|*WANG H M,WANG C M,CAI L X. Wear and corrosion resistance of laser clad Ni2Si, NiSi composite coatings[J]. Surface and coating Technology, 2003, 168:202-2084*|*期刊*|*AMEKURA H,KITAIA WAH, UMEDA N,et al. Nickel nanoparticles in silica glass fbricated by

60 kev negative-ion implantation[J]. Nuclear Instruments and methods in physics Research B, 2004, 222:114-1225*|*期刊*|*DUTRA A T, FERRANDINI P L, CARAM R.Microstructure and mechanical behavior of in situ Ni-Ni3Si composite[J]. J Alloys Compd, 2007,432:167-171.6*|*专著*|*DIMIDUK D M,MENDIRATTA M G,SUBRAMANIAM P R. Structural Intermetallics[M].TMS, Warrendale,1993, p.619*|1|崔春娟|CUI Chunjuan|西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055|School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology|崔春娟(1972-),女,副教授,主要研究方向:共晶合金的定向凝固技术与理论|西安建筑科技大学冶金工程学院|710055|cuichunjuan@xauat.edu.cn|029-82205104|13389285889|2|吴昆|WU Kun|西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055|School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology||||wukong234@126.com|||3|马幼平|MA Youping|西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055|School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology||||youpingma615@yahoo.com.cn|||4|杨蕾|YANG Lei|西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055|School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology||||toucdh@126.com|||5|翟克勇|ZHAI Keyong|西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055|School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology||||zhaikeyong@sina.com||Ni-Ni3Si共晶的制备工艺研究|Study on preparation of Ni-Ni3Si eutectic|高等学校博士学科点专项科研基金新教师基金(20096120120017);

陕西省教育厅专项科研基金(09JK511);

凝固技术国家重点实验室(西北工业大学)开放课题(SKLSP200904);

西安建筑科技大学科技计划项目(人才科技基金RC0907)(JC1109) (西安建筑科技大学冶金工程学院,西安 70055) 摘要:Ni3Si是一种很有发展潜力的高强耐蚀金属间化合物,然而脆性限制了该材料的实际使用.本文采用高纯度的Si 粉和Ni 片Ni 丝为原料,采用真空自耗电弧熔炼Ni - Si 合金,通过成分设计,制成化学成分符合要求的Ni-Si母合金,然后采用Bridgman定向凝固技术对Ni-Ni3Si共晶自生复合材料进行组织优化.母合金的微观结构为树枝晶,定向凝固Ni-Ni3Si共晶为规则的层片共晶组织,从而使材料的综合力学性能得到改善. 关键词:复合材料;

真空自耗电弧熔炼;

定向凝固 中图分类号:TG244+.3, O782 Study on preparation of Ni-Ni3Si eutectic CUI Chunjuan, WU Kun, MA Youping, YANG Lei, ZHAI Keyong (School of Metallurgical Engineering, Xi'

an university of Architecture and Technology) Abstract: Ni3Si is a very promising candidate for new structure of high strength corrosion resistance material, the application of this material has been limited by its brittleness. In this paper high-purity Si powder and the Ni film Ni wire are used as raw materials, and Ni-Si alloys are prepared by vacuum arc melting technique. Then Ni-Si alloys are directionally solidified at the different withdrawing rates on eutectic composite for organization and optimization. It is found that microstructure of the master alloy is dendritic crystal, while microstructure of the directionally solidified Ni-Ni3Si eutectic is regular lamellar eutectic. Consequently, mechanical properties of the materils have been improved greatly. Key words: Composite;

Vacuum consumable arc melting;

Directional solidification 引言 随着空间技术、能源开发和各种新技术的发展,世界各地对先进高温结构材料的需求日益增加.研制和开发既能经受高温作用又具有良好的耐蚀性、耐磨性和热震性的材料,已成为各国展开科技竞争的重要内容.金属间化合物是其中的研究热点之一.金属间化合物Ni3Si的熔点为1523K, 使用温度若按0.85Tm计算, 可以达到1290 K, 从使用温度来看, Ni3Si完全能够取代镍基高温合金作高温材料应用[1].与其他Ll型金属间化合物一样, Ni3Si作为一种Ll型结构的金属间化合物, 具有强度随温度变化的异常效应―R 效应即强度随着温度的升高不是连续下降, 而是先增大后下降的现象.在700K左右时, Ni3Si的屈服强度达到最大值约为800MPa, 大大超过了镍基高温合金在该温度条件下的屈服强度.在高温氧化性环境中, Ni3Si表面优先形成一层致密的玻璃态SiO2保护膜, 从而阻止了氧化反应进一步发生,这在开发高温结构材料方面具有潜在的优势.同时, Ni3Si具有很好的抗酸腐蚀性能, 特别是抗硫酸和抗二氧化硫腐蚀性能[2-4]. 与其他有序度很高的Ll型金属间化合物一样, 多晶Ni3Si也存在着严重的脆性问题[3-6].但同其他类型的金属间化合物相比, Ll型结构比较简单, 故改善多晶脆性的可能性也较大.目前,不少材料科学工作者通过粉末冶金、燃烧合成和熔炼法等方法等方法制备了金属间化合物Ni3Si,并采取了一些措施如微合金化、宏合金化、晶粒细化等来改善其脆性,例如加入少量的B和(或)C可以有效抑制这种脆性,这些研究方法虽然取得了一定的成果,但离实际应用还有一段距离.本文采用原位自生的方法来制备Ni-Ni3Si共晶自生复合材料,这种方法采用具有延展性的金属Ni与脆性相Ni3Si在液固相变过程中结合,使材料的综合力学性能得到改善,是一种把制备材料与改善性能合二为一的方法. 实验方法 依据Ni-Si相图,采用真空自耗电弧熔炼技术熔配配制Ni-11.5wt% Si共晶合金,线切割成Φ6*30mm的试棒若干.采用Bridgman定向技术制备不同凝固速率的Ni-Ni3Si共晶自生复合材料.真空自耗电弧熔炼的试样与定向凝固的试样经常规金相技术处理,采用5%的盐酸+水+氯化铁溶液腐蚀,然后采用OLYMPUS GX51光学电镜观察凝固组织特征和相形态及分布. 结果与讨论 图1是真空自耗电弧熔炼的示意图.真空自耗电弧熔炼是在真空条件下进行的,电极由被熔金属材料制成,它利用和坩锅两级间电弧放电产生的高温做热源,将电极的金属材料熔化,在坩埚内冷凝成锭的过程.: 图1 真空自耗电弧熔炼炉结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of vacuum consumable arc melting 对一次熔炼好的试棒进行了切头切尾扒渣处理后,对其进行了成分检测,合金密度测定和化学分析表明硅重量百分比约为11.5%,达到了共晶合金要求.又对其进行了第二次熔炼,第二次熔炼后对其进行了密度测定和化学分析,测定后硅的重量百分比仅为9.2% ,低于共晶点时的重量百分比,这是因为Si的熔点相对较低,而采用真空自耗电弧熔炼很难避免低熔点或易挥发元素在熔炼过程中的损耗.所以在第三次熔炼时进行补料,也就是在二次熔炼的合金上打孔添加硅粉,最终得到了合乎要求的Ni-Si合金. 采用西北工业大学凝固技术国家重点实验室自制的材料制备和晶体生统对Ni-Si合金进行了高梯度定向凝固实验.图2是Bridgman定向凝固设备示意图. 图2 Bridgman定向凝固技术示意图 Fig.2 Schematic diagram of Bridgman directional solidification technique 对真空自耗电弧熔炼以及Bridgman定向凝固后的试样的纤维组织进行分析,图3(a)是真空自耗电弧熔炼后Ni-Si合金的微观组织形貌,图3(b)是定向凝固的Ni-Ni3Si共晶组织.其中浅灰色相为基体Ni相,黑色相为Ni3Si相. 图3 凝固组织的典型对比(a)电弧熔炼母合金(b)定向凝固组织 Fig.3 Comparison of the microsture (a)microstructure of the master alloy by vacuum arc melting (b) microstructure of the directionally solidified Ni-Ni3Si eutectic 图3表明未定向凝固时组织为树枝晶组织,定向凝固后为典型的层片共晶组织.这是因为在真空自耗电弧熔炼时沿着各个方向的散热几乎相同,所以获得的是树枝晶组织,如图3a所示.铸锭定向凝固需要的两个条件:热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面;

晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心.为此,在工艺上必须采取措施避免侧向散热,同时在靠近固-液界面的熔液中应造成较大的温度梯度.这是保证定向柱晶和单晶生长挺直,取向正确的基本要素.本文Bridgman设备就是一种正温度梯度的设备,传热方........