Al-Ni-Y 三元合金定向凝固組織及高溫壓縮性能研究

周 凡 ，郭曉鑫

（1.天津冶金職業技術學院，天津 300400；2.晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

定向凝固是指在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到具有特定取向柱狀晶的技術[1]。人們利用定向凝固技術讓晶粒沿受力方向生長，消除橫向晶界，高溫強度、蠕變性和持久特性、熱疲勞性能有大幅度的改善[2]。

富Al的Y-Ni-Al合金[3]表現出的諸如低密度、耐熱與耐蝕、細小晶粒結構等優點，并且被證明具有高非晶形成能力，尤其是這個體系的金屬非晶和復合材料等具有出色的綜合性能。但多年來，人們對于鋁合金的定向凝固研究大多集中在二元鋁合金，尤其以Al-Cu、Al-Ni居多[4]。對于三元鋁合金凝固的研究大多也只是停留于相圖模擬階段，而對于三元鋁合金定向凝固更少有人觸及[5]。

1 實驗

選用純度為99.7%的Al錠、純度為99.9%的Y和純度為99.9%的Ni作為原料，在真空感應熔煉爐中熔煉成分為96.5 at%Al、2.6 at%Ni、0.9 at%Y的三元合金，澆鑄成尺寸為φ18mm×180mm的試樣棒，成為原始鑄態母材。將試樣棒放在φ20mm×200mm的石墨磨具內，在真空熔煉氬氣保護定向凝固爐中進行定向凝固。定向凝固工藝參數如下：溫度梯度為5K/mm，拉伸速率分別為1mm/min、5mm/min、10mm/min。選取個定向凝固條件下中間段試樣利用金相顯微鏡進行橫截面和縱截面的金相組織觀察。采用Gleeble3500熱模擬機進行高溫壓縮試驗。

2 結果與討論

2.1 Al-Ni-Y三元合金原始鑄態組織

根據原始鑄態Al-Ni-Y三元合金的X射線衍射分析結果，用material-studio軟件建立Al-Ni-Y可能形成相的模型與所設計合金的X射線圖譜進行對比分析，可以確定95.6%Al、2.6%Ni、0.9%Y的三元合金鑄態原始組織為(Al)相、YAl3相和Al23Ni6Y4相。

圖1為Al-Ni-Y三元合金鑄態橫截面組織。根據能譜相組成分析得到，白色相為基體(Al)相，灰白色片呈層狀的為YAl3相，少量深黑色棒狀組織為Al23Ni6Y4，YAl3相和Al23Ni6Y4相較少。

圖1 Al-Ni-Y三元合金橫截面鑄態組織

2.2 Al-Ni-Y三元合金定向凝固試樣組織

圖2 不同下拉速率的Al-Ni-Y三元合金定向凝固組織

圖2為溫度梯度5K/mm下，下拉速度分別為1mm/min、5mm/min和10mm/min的Al-Ni-Y三元合金定向凝固試樣的組織對比，可以看出當下拉速度為1 mm/min時，所生成的組織為胞狀晶，晶胞的形狀已經比較細長。當下拉速度為5mm/min和10mm/min時，所生成的組織為柱狀樹枝晶，但從縱截面組織可看出，下拉速度為5mm/min時具有柱狀樹枝晶的組織特征，下拉速度為10mm/min時枝晶發展，枝晶的尺寸增加，而且樹枝晶存在嚴重的斷裂現象，橫向晶界比下拉速率為5mm/min的組織要多。因此，下拉速度為5mm/min時所得到的定向凝固試樣的組織比較理想。

2.3 高溫壓縮性能

通過定向凝固工藝，使Al-Ni-Y三元合金在縱截面上獲得同一方向生長的組織，減少了橫向晶界，從而使Al-Ni-Y三元合金在縱向上的力學性能得到改善。由前面分析可以看到，當GL=5 K/mm、R=5 mm/min時所得到的定向凝固試樣的組織形狀和排列比較理想，故選取此試樣，對定向凝固合金的高溫壓縮性能進行研究。在變形溫度為350℃、400℃和450℃、應變速率為0.001～1s-1、變形量為70%下進行壓縮變形。不同變形條件下的峰值應力如表1所示。

表1 定向凝固試樣在各實驗條件下的峰值應力

應變速率相同時，峰值應力隨溫度的升高而降低。變形溫度相同時，峰值應力隨變形速率的減小而降低。鋁合金在熱加工時存在加工硬化和動態軟化兩個矛盾的過程，加工硬化主要是由變形時的位錯增殖和位錯間的相互作用引起的，動態軟化主要由刃型位錯的攀移或螺型位錯的交滑移在熱激活和外加應力的作用下發生位錯的合并產生[6]。鋁合金屬于高層錯能合金，主要軟化機制為動態回復，定向凝固試樣熱壓縮時也發生動態再結晶。

3 結論

（1）Al-Ni-Y三元合金凝固試樣包含的相有：(Al)相、YAl3相和Al23Ni6Y4相。

（2）合金定向凝固后，縱截面上各相生長取向發生明顯改變，獲得了同一方向（即熱流方向）生長的組織。在溫度梯度相同時，下拉速度為5mm/min時，其組織越均勻、有序，且縱截面組織生長為柱狀樹枝晶晶轉變。

（3）高溫壓縮時，在壓縮溫度相同的情況下，由于加工硬化，峰值應力隨應變速率的增加而增加。在應變速率相同的情況下，由于動態軟化，峰值應力隨壓縮溫度的增加而減小。

[1]彭廣威,劉健,李理等.定向凝固理論及技術的研究現狀.鑄造設備研究,2005,4(8):44-47.

[2]周振平,李榮德.定向凝固技術的發展.中國鑄造裝備與技術,2003,(2):1-3.

[3]彭德林,閔光輝等.二元Al-Li合金共晶復合材料的定向生長[J].金屬學報,1996,32(9):993997.

[4]Gao M C.PhD Dissertation,Charlottesville,VA:University of Virginia.2002.

[5]Gao M C,Hackenberg R E,Shiflet G J.J Alloys Compd 2003,353:114.

[6]程虎.3104鋁合金熱變形行為研究.重慶大學碩士論文,2006.