cr元素的添加对ni3(si,ti)组织和性能的影响
摘 要摘 要Ni3Si作为镍基金属间化合物，是一种极具有发展潜力的新型高温结构材料。由于具有良好的耐腐蚀性，抗氧化性，以及反常的强度-温度特性（即R特性）等，使其在冶金、石油化工、航空航天等得到应用。但是，镍-硅系高温合金的本征脆性和环境脆性，限制了它的发展。本文基于材料合金化原理，以Ni3(Si,Ti)为基体材料，通过加入不同含量的Cr元素，采用真空电弧熔炼制备成具有Ni-Ni3Si 型复相合金的纽扣锭。同时，采用OM、XRD和SEM 等分析方法，辅以弯曲拉伸试验，对试样进行了物相组成、显微结构等组织与性能的分析。结果表明，合金试样随着Cr元素含量的增加，硬度值呈上升趋势，但抗压强度则呈明显下降趋势，Cr元素的加入，增大了材料的合金化程度，从而对材料起到强化作用，使硬度增大，但抗压强度则降低。且Cr含量的增加，合金的物相由简单的Ni3Si，变为更加复杂的Ni16Cr6Si7相和Ni31Si12相，组织皆为片层状。Cr元素对于Ni3(Si,Ti)的脆性改善情况为，5%的Cr有微弱的作用，当Cr含量多于5%时，则增加了其脆性倾向。从综合性能来看，以添加5% Cr的Ni3(Si,Ti)合金性能最佳。关键词：金属间化合物，Ni3Si，Cr元素，真空电弧熔炼目 录
第一章 绪论 标题（小三号宋体加粗） 3
1.1引言 3
1.2 金属间化合物 3
1.3 Ni3Si的性能特点 4
1.3.1力学性能 5
1.3.2化学性能 5
1.4 Ni3Si的合金化 6
1.4.1铬的作用 6
1.4.2钛的作用 6
1.4.3微量元素的作用 6
1.5电弧熔炼 7
1.5.1电弧熔炼的分类 7
1.6 Ni3Si的背景与现状 8
1.7本课题研究的目的与意义 9
第二章 试验方案及研究方法 10
2.1 试验材料 10
2.1.1 基体材料 10
2.1.2试验材料的制备 10
2.2 试验设备 11
2.2.1 电弧熔炼设备 11
2.2.2 其他设备 11
2.3试
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Ni3Si的背景与现状 8
1.7本课题研究的目的与意义 9
第二章 试验方案及研究方法 10
2.1 试验材料 10
2.1.1 基体材料 10
2.1.2试验材料的制备 10
2.2 试验设备 11
2.2.1 电弧熔炼设备 11
2.2.2 其他设备 11
2.3试验方案 12
2.3.1试验流程 12
2.3.2 组织观察 13
2.3.3 性能测试 13
2.3.4 断口形貌观察 14
第三章 试验结果及分析 15
3.1Ni3Si的显微组织分析 15
3.1.1 Ni3Si的金相分析 15
3.1.2 XRD图谱分析 17
3.2 硬度分析 19
3.3 压缩分析 19
3.4 压缩断口分析 23
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1引言
金属间化合物是一种功能材料，因其键合特点以及优异的高温强度，使其被广泛应用于工业发展中。另外，作为结构材料，金属间化合物有很严重的脆性问题和环境敏感性等特点，这些问题严重阻碍了金属间化合物在工业上的应用。到20世纪70年代，科学家们通过大量试验发现，可以在基体材料中添加Ti、Cr或B等其他一些合金元素，使其合金化程度增大，基于合金化原理来改善脆性问题。同时，通过发生一定程度的形变或相变，产生固溶强化，也能改善材料的脆性问题与环境敏感性问题。这个发现也对金属间化合物的研究和发展带来了很大的帮助，并取得了较大进展。
增大材料合金化能改善材料脆性问题的发现，吸引了很多科学家对金属间化合物的研究，使金属间化合物在结构材料方面有了突飞猛进的发展[1]。作为高温金属间化合物，镍基合金引起了更广泛的关注，例如Ni3Si和Ni3Al[2]。NiAl与Ni3Al已经有了长足的发展。本文主要研究Cr元素的加入对Ni3(Si,Ti)组织与性能的影响，包括力学性能，工艺性能以及脆性改善方法。希望对Ni3Si材料的研究工作有所帮助。
1.2 金属间化合物
金属间化合物是由两种或两种以上金属元素或金属元素与类金属元素按照一定的原子比组成的化合物[3]。原子之间的键合既包括金属键，也含有共价键和离子键。由于金属间化合物键合的独特性，使其具有完全不同原金属元素的性质，并且往往具有更优异的性能。因此，金属间化合物在结构材料上得到了广泛的应用。有序金属间化合物的结构与组成它的两种金属组元的结构对比，形成明显不同的有序的超点阵结构，两个组元原子间尽可能地形成异类原子之间的有序结合。在研究中发现，化合物中有种被称为有序金属间化合物。它分为两类，其一是在温度小于其熔点时，金属间化合物就发生了从有序到无序的转变，我们称之为可逆有序金属间化合物；其二是在温度大于熔点时仍能保持有序结构，我们称之为金属间化合物[4]。
金属间化合物在工业上比较有价值，有潜力和有前景的主要分为以下几类，NiAl系，FeAl系，TiAl系，难熔金属化合物和硅化物等。NiAl系，TiAl系，FeAl系的金属间化合物，无论是A3B型还是AB型，它们的脆性问题得到一定程度的突破和解决，为工程应用创造了前提。
NiAl系金属间化合物中作为高温材料有工程应用和发展潜力的是A3B型和AB型合金，主要是Ni3Al和NiAl。单晶Ni3Al相中只有一个晶粒，且是长程有序排列的，缺陷较少，并且没有刃型位错和螺型位错等位错的产生，所以其塑韧性比较好；多晶Ni3Al中有很多晶粒，晶界增多，晶界缺陷较多，易产生位错钉扎，以致阻碍了位错的运动，使其强度一定程度上提高，从而降低了材料的塑韧性，使其脆性增大，这也很大程度上阻碍了多晶Ni3Al的发展。难熔金属化合物主要包括难熔金属与铝形成的二元、三元铝化物以及Laves相等。难熔金属化合物中的铝化物种类较多，前景较好的有Nb3Al及NbTiAl三元系铝化物。除了NiAl系和难熔金属化合物外，硅化物也是一种应用较广的金属间化合物。硅化物一般由金属和元素硅组成，它们的生成热高，熔点高，具有较好的高温强度和良好的抗氧化性，良好的导电性和导热性，是很有前景的高温结构材料。同样，硅化物的脆性问题也是不容忽视的，因此改善硅化物的脆性问题也成了科学研究中非常重要的课题。Ni3Al已经在工业上有所应用，所以与Ni3Al有着相同结构的Ni3Si也受到很多科学家的青睐。常见的硅化物有五类，在这五类硅化物中，只有M3Si，M5Si3，MSi2中的少数几种化合物有望成为工程结构材料，其中Ni3Si，Ni5Si2，Cr3Si，Ti5Si2等是研究较多，前景较好的高温结构材料。
1.3 Ni3Si的性能特点
Ni3Si(β)为L12型金属间化合物，其本身就具有较高的强度，加上Si元素对镍硅合金又有很明显的强化，使得镍硅基合金成为很好的高强度结构材料。但是，与其他有序度很高的L12型的Ni3Al、Ni3Ge等金属间化合物一样，多晶Ni3Si也存在很严重的室温脆性问题，从而大大的限制了它的实际应用。科学家们也在想尽一切办法去改善它的脆性问题，为镍硅合金走向更广泛的应用打下基础。同时，含量较高的硅合金在氧化和腐蚀条件下极易形成SiO2保护膜，尤其是在硫酸介质中，它的抗腐蚀能力尤为明显，在未来很有可能成为理想的抗硫酸材料。近些年来，在韧化镍铝合金等方面取得的重大突破表明，具有L12结构的Ni3Si也同样存在着韧化的可能。我国正在加紧对镍硅金属间化合物的研究步伐。
由于Ni3Si的脆性大大限制了它的实际应用[5]，T. Takasugi等在Ni3Si中添加了合金化元素Ti来改善其脆性，结果表明随着合金中Ti元素的增加，其韧性有大幅度的提高[6]。而Oliver等人测得的Ni77.9Si18.9Ti3.2合金的延伸率可达17.6%[7] 。两者的吻合，说明Ti元素的确能改善Ni3Si的脆性问题。另外，将某些特殊元素作为第二相时加入合金后，一些不可避免的点
第一章 绪论 标题（小三号宋体加粗） 3
1.1引言 3
1.2 金属间化合物 3
1.3 Ni3Si的性能特点 4
1.3.1力学性能 5
1.3.2化学性能 5
1.4 Ni3Si的合金化 6
1.4.1铬的作用 6
1.4.2钛的作用 6
1.4.3微量元素的作用 6
1.5电弧熔炼 7
1.5.1电弧熔炼的分类 7
1.6 Ni3Si的背景与现状 8
1.7本课题研究的目的与意义 9
第二章 试验方案及研究方法 10
2.1 试验材料 10
2.1.1 基体材料 10
2.1.2试验材料的制备 10
2.2 试验设备 11
2.2.1 电弧熔炼设备 11
2.2.2 其他设备 11
2.3试
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
Ni3Si的背景与现状 8
1.7本课题研究的目的与意义 9
第二章 试验方案及研究方法 10
2.1 试验材料 10
2.1.1 基体材料 10
2.1.2试验材料的制备 10
2.2 试验设备 11
2.2.1 电弧熔炼设备 11
2.2.2 其他设备 11
2.3试验方案 12
2.3.1试验流程 12
2.3.2 组织观察 13
2.3.3 性能测试 13
2.3.4 断口形貌观察 14
第三章 试验结果及分析 15
3.1Ni3Si的显微组织分析 15
3.1.1 Ni3Si的金相分析 15
3.1.2 XRD图谱分析 17
3.2 硬度分析 19
3.3 压缩分析 19
3.4 压缩断口分析 23
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1引言
金属间化合物是一种功能材料，因其键合特点以及优异的高温强度，使其被广泛应用于工业发展中。另外，作为结构材料，金属间化合物有很严重的脆性问题和环境敏感性等特点，这些问题严重阻碍了金属间化合物在工业上的应用。到20世纪70年代，科学家们通过大量试验发现，可以在基体材料中添加Ti、Cr或B等其他一些合金元素，使其合金化程度增大，基于合金化原理来改善脆性问题。同时，通过发生一定程度的形变或相变，产生固溶强化，也能改善材料的脆性问题与环境敏感性问题。这个发现也对金属间化合物的研究和发展带来了很大的帮助，并取得了较大进展。
增大材料合金化能改善材料脆性问题的发现，吸引了很多科学家对金属间化合物的研究，使金属间化合物在结构材料方面有了突飞猛进的发展[1]。作为高温金属间化合物，镍基合金引起了更广泛的关注，例如Ni3Si和Ni3Al[2]。NiAl与Ni3Al已经有了长足的发展。本文主要研究Cr元素的加入对Ni3(Si,Ti)组织与性能的影响，包括力学性能，工艺性能以及脆性改善方法。希望对Ni3Si材料的研究工作有所帮助。
1.2 金属间化合物
金属间化合物是由两种或两种以上金属元素或金属元素与类金属元素按照一定的原子比组成的化合物[3]。原子之间的键合既包括金属键，也含有共价键和离子键。由于金属间化合物键合的独特性，使其具有完全不同原金属元素的性质，并且往往具有更优异的性能。因此，金属间化合物在结构材料上得到了广泛的应用。有序金属间化合物的结构与组成它的两种金属组元的结构对比，形成明显不同的有序的超点阵结构，两个组元原子间尽可能地形成异类原子之间的有序结合。在研究中发现，化合物中有种被称为有序金属间化合物。它分为两类，其一是在温度小于其熔点时，金属间化合物就发生了从有序到无序的转变，我们称之为可逆有序金属间化合物；其二是在温度大于熔点时仍能保持有序结构，我们称之为金属间化合物[4]。
金属间化合物在工业上比较有价值，有潜力和有前景的主要分为以下几类，NiAl系，FeAl系，TiAl系，难熔金属化合物和硅化物等。NiAl系，TiAl系，FeAl系的金属间化合物，无论是A3B型还是AB型，它们的脆性问题得到一定程度的突破和解决，为工程应用创造了前提。
NiAl系金属间化合物中作为高温材料有工程应用和发展潜力的是A3B型和AB型合金，主要是Ni3Al和NiAl。单晶Ni3Al相中只有一个晶粒，且是长程有序排列的，缺陷较少，并且没有刃型位错和螺型位错等位错的产生，所以其塑韧性比较好；多晶Ni3Al中有很多晶粒，晶界增多，晶界缺陷较多，易产生位错钉扎，以致阻碍了位错的运动，使其强度一定程度上提高，从而降低了材料的塑韧性，使其脆性增大，这也很大程度上阻碍了多晶Ni3Al的发展。难熔金属化合物主要包括难熔金属与铝形成的二元、三元铝化物以及Laves相等。难熔金属化合物中的铝化物种类较多，前景较好的有Nb3Al及NbTiAl三元系铝化物。除了NiAl系和难熔金属化合物外，硅化物也是一种应用较广的金属间化合物。硅化物一般由金属和元素硅组成，它们的生成热高，熔点高，具有较好的高温强度和良好的抗氧化性，良好的导电性和导热性，是很有前景的高温结构材料。同样，硅化物的脆性问题也是不容忽视的，因此改善硅化物的脆性问题也成了科学研究中非常重要的课题。Ni3Al已经在工业上有所应用，所以与Ni3Al有着相同结构的Ni3Si也受到很多科学家的青睐。常见的硅化物有五类，在这五类硅化物中，只有M3Si，M5Si3，MSi2中的少数几种化合物有望成为工程结构材料，其中Ni3Si，Ni5Si2，Cr3Si，Ti5Si2等是研究较多，前景较好的高温结构材料。
1.3 Ni3Si的性能特点
Ni3Si(β)为L12型金属间化合物，其本身就具有较高的强度，加上Si元素对镍硅合金又有很明显的强化，使得镍硅基合金成为很好的高强度结构材料。但是，与其他有序度很高的L12型的Ni3Al、Ni3Ge等金属间化合物一样，多晶Ni3Si也存在很严重的室温脆性问题，从而大大的限制了它的实际应用。科学家们也在想尽一切办法去改善它的脆性问题，为镍硅合金走向更广泛的应用打下基础。同时，含量较高的硅合金在氧化和腐蚀条件下极易形成SiO2保护膜，尤其是在硫酸介质中，它的抗腐蚀能力尤为明显，在未来很有可能成为理想的抗硫酸材料。近些年来，在韧化镍铝合金等方面取得的重大突破表明，具有L12结构的Ni3Si也同样存在着韧化的可能。我国正在加紧对镍硅金属间化合物的研究步伐。
由于Ni3Si的脆性大大限制了它的实际应用[5]，T. Takasugi等在Ni3Si中添加了合金化元素Ti来改善其脆性，结果表明随着合金中Ti元素的增加，其韧性有大幅度的提高[6]。而Oliver等人测得的Ni77.9Si18.9Ti3.2合金的延伸率可达17.6%[7] 。两者的吻合，说明Ti元素的确能改善Ni3Si的脆性问题。另外，将某些特殊元素作为第二相时加入合金后，一些不可避免的点
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