Ag和稀土Y复合添加对金属间化合物NiAl显微组织的影响

高 崇，吕墨豪，杜兴蒿

(沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110136)

B2结构的有序金属间化合物NiAl具有密度低、熔点高、热导率好和优异抗氧化性而成为有望替代Ni基高温合金的新型高温结构材料。然而，普通制备态NiAl材料表现出的很低室温拉伸塑性以及高温强度严重削弱了它作为高温结构材料的使用价值［1－2］。实验证明，合金化是改善脆性材料性能最有效和最常用的方法。其中比较有特点的几种合金化方法得到了材料学者的重视。(1)稀土元素在NiAl材料中间隙固溶度几乎为零，且是很强的表面活性剂，因而，会明显改善细化NiAl材料的铸造微观组织，进而提高其力学性能［3］;(2)在NiAl材料中固溶度很高的元素如Cu等，研究表明快速凝固条件下大量Cu固溶在NiAl晶格中可获得一定量的拉伸塑性［4］;(3)在NiAl材料中固溶度很低的元素如Ag等，在NiAl合金中易形成韧性的第二相，通过第二相韧化改善合金的力学性能［5］。

令人感兴趣的是［6－8］一些同样是 B2晶体结构的稀土金属间化合物具有良好的室温塑性和韧性。例如，铸造退火态YCu以及YAg室温拉伸应变分别达到12%和20%，DyCu平面断裂韧性KIC 值为23 MPa·m－2～28 MPa·m－2，都远远高于脆性的NiAl材料。在材料研究中，通过多种元素合金化从而制备多相微观组织往往是改善脆性材料性能的最有效的方法。为此，我们在NiAl合金中加入Y和Ag元素，期望Y和Ag元素同时发挥韧化作用，从而改善NiAl的组织性能。

1 实验材料及方法

实验采用 99.9 Ni，99.9 Al，99.9 Y，99.9 Ag(wt.%)为原料，在氩气保护下，利用非自耗钨电极，在水冷铜坩埚中熔炼不同Y和Ag(Ag:Y=1∶1，at.%)含量的合金锭，合金成份如表 1 所示。每次熔炼两个合金锭，为了达到成分均匀，每个合金锭反复熔炼4遍。熔炼后重量损失小于5%，所以合金的实际成分近似接近名义成分。用线切割将所有合金锭一分为二，分为两组。一组试样做铸态下的分析，另一组进行固溶化以及时效处理，固溶工艺为 1150℃，30 h，时效工艺为700℃，100 h。所得到的微观组织和相组成通过光学显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)，能谱成分分析(EDS)以及X射线衍射(XRD)来表征。

表1 制备3种合金的化学成分

2 实验结果与讨论

图1给出了不同含量Y、Ag的NiAl合金的显微组织。从图1(a)可以清楚地看到，低合金化的NiAl合金主要的微观组织为等轴晶。部分晶粒有拉长的趋势，这是由于本实验采用的是水冷铜坩埚，冷却速度比较快造成局部，特别是表面的顺序凝固。图1(b)和(c)表明在Y和Ag元素含量较高的合金中，随着Y和Ag含量的增加改变了的合金的凝固行为，典型的糊状方式凝固成为合金主要的凝固方式。特别是，枝晶逐渐细化，相关研究［9－10］表明，稀土元素在金属间化合物中具有细化晶粒的作用。这是由于它是表面活性元素，可以降低金属液体的表面张力，从而降低形成临界晶核尺寸。另一方面，低熔点的Ag等元素在凝固过程中，在枝晶根部富集会有效地熔断枝晶干，熔掉的枝晶成为非自发形核的质点，最后使组织明显细化。

图1 不同Y、Ag含量的NiAl合金的铸态微观组织形貌

图2给出了相应合金固溶化处理后的组织。可以看到，合金的平均晶粒尺寸发生长大，无论是柱状晶还是树枝晶在固溶处理后，都转变为了粗大的等轴晶粒。此外对于高Y、Ag含量合金，晶界处的第二相发生聚集粗化。相关研究表明［11－12］，出现这种现象可能是由于 Y、Ag 在 NiAl中的固溶度都比较小，并且固溶处理后高温时效100 h，使得元素得到充分的扩散的结果。

图2 高Ag，Y含量的NiAl固溶时效后的显微组织

如图3和图4所示，分别给出了NiAl-Ag 5.0合金的SEM形貌以及其能谱分析，结果表明，基体相由为Ni、Al元素组成，如图4(a)所示。图4(b)为基体中的析出颗粒相，可以看到有富Ag相析出。图4(c)为晶界处的成分分析，可以看到，不仅有Ag的富集，而且稀土Y也在晶界处偏聚。这是由于这两种元素在NiAl合金中的固溶度都比较小，当含量增加到一定程度时，在晶界处发生偏聚。正是这种明显的偏聚行为，改变了合金的凝固方式，进而改善了合金的凝固组织。

图3 Ag 5.0 wt.%-NiAl合金的 SEM 形貌

图4 Ag 5.0 wt.%-NiAl合金的 EDS 分析

图5所示为3种合金的X射线衍射分析结果。结果表明，基体合金组织主要为NiAl相，随着Y和Ag元素的不断加入，在5.0YAg合金及10.0YAg和合金中，开始出现Y和Ag的化合物，元素Y与基体元素形成YAl3和Ni7Y2相，Y、Ag之间形成Ag2Y相。由于Ni、Al、Ag和 Y四种元素可能形成很多化合物，根据相图及XRD衍射结果，没有发现希望的韧性的YAg相析出，仅有类似的Ag2Y相存在。图6给出了这2种合金的XRD分析结果，并且与相应的铸造合金进行了比较，通过对比并没有发现预期的B2-YAg相形成。这与合金热力学与凝固条件有关，初步可以认为四元Ni-Al-Y-Cu(Ag)合金体系中，YAg化合物形成的热力学倾向相比其他化合物较弱，进一步 的理论计算正在进行中。

图5 铸态NiAl合金的X射线衍射谱

图6 固溶时效后NiAl合金的X射线衍射谱

3 结论

(1)Y和Ag元素的同时加入，可以显著细化晶粒组织，但没有在铸态NiAl合金组织中发现B2-YAg化合物。而固溶时效处理加剧了Y、Ag元素在晶界处的偏聚，形成富Y及富Ag相化合物。

(2)Ag元素的加入可以对合金的凝固方式产生影响，合金的凝固方式由柱状晶凝固转变为典型的糊状凝固方式，并且形成胞状树枝晶，其平均共晶胞尺寸有逐渐减小的趋势。

［1］Noebe R D，Bowman R R，Nathal M V.Physical and Mechanical Properties of the B2 Compound NiAl［J］.Int.Mater.Rev.，1993，38:193 －232.

［2］郭建亭，任维丽，周健.NiAl合金化研究进展［J］.金属学报，2002，38(16):667－672.

［3］Ren W L，Guo J T，Li G S，et al.Effect of Nd on microstructure and mechanical properties of NiAlbased intermetallic alloy［J］.Materials Letters，2003，57:1374－1379.

［4］Garcia-Galan S，Gonzalez-Rivera C，Alvarez-Fregoso O，et al.Microstructural characterization of(Ni，Cu)Al intermetallic compounds rapidly solidified［J］.Materials Science and Engineering，2002，A329:675－679.

［5］Zhou J，Guo J T.Effect of Ag alloying on microstructure，mechanical and electrical properties of NiAl intermetallic compound［J］.Materials Science and Engineering A，2003，339(1):166 －174.

［6］Russell A M，Zhang Z，Lograso T A，et al.Mechanical properties of single crystal YAg［J］.Acta Materiallia，2004(52):4033－4040.

［7］Zhang Z，Russell A M，Biner S B，Gschneidner Jr K A，Lo C C H.Fracture toughness of polycrystalline YCu，DyCu，and YAg［J］.Intermetallics，2005(13):559－564.

［8］Chen Q，Biner S B.Stability of perfect dislocations in rare-earth intermetallic compounds:YCu，YAg and YZn［J］.Acta Materialia，2005(53):3215 －3223.

［9］周健，郭建亭，李谷松.Ag对NiAl合金组织和性能的影响［J］.材料工程，2002(3):7.

［10］郭建亭，袁超，侯介山.稀土元素在NiAl合金中的作用［J］.金属学报，2008，44(5):513－520.

［11］J.Colin，S.Serna，B.Campillo，et al.Effect of Cu additions over the lattice parameter and hardness of the NiAl intermetallic compound［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010，489(1):26 －29.

［12］朱成香，陈振中.A357-T6铸造铝合金疲劳特性研究［J］.沈阳航空工业学院学报，2009，26(2):9 －11.

［13］解佳浩，陈振中.A357铸造铝合金拉伸性能研究［J］.沈阳航空工业学院学报，2010，27(1):5 －7.