NiAl-Cr(Mo)-Ti合金的高温氧化行为的研究(2)
参考文献 25
1 绪论
1.1 NiAl基高温合金的发展背景及进程
随着航空航天工业的迅速发展,为了满足燃气涡轮发动机的高推比、高增压比和高涡轮前温度的三高要求，对高温结构材料的要求也越来越高。高温合金尽管有较好的稳定性,但使用温度已经达到其绝对熔点温度的80%[1],接近他们的极限。目前材料学界面临的一个重大挑战是研制新一代的高温合金以替代飞行器推进系统中燃气涡轮发电机热端部件的镍基高温合金材料。众所周知，替代镍基高温合金的新一代材料必须具备高强度、高熔点、低密度、优异的高温抗氧化性、组织稳定和成本低廉等特点。长程有序金属间化合物NiAl由于具有熔点高、密度低、抗氧化性好、导热率大等一系列特点，已成为当前令人瞩目的一类材料，并有希望取代现有的Ni基、Fe基高温合金应用于更高的温度和更恶劣的环境中。但是NiAl金属间化合物低温塑性差、高温强度低、阻碍了它的实用化。为此，全世界各国材料科学工作者多年来对NiAl及其合金开展了广泛的研究，并取得了令人欣慰的成果。
由于传统耐热钛合金的使用温度受到限制，各国都集中力量研究高温结构材料，对镍铝金属间化合物的研究尤为突出。
NiAl金属间化合物由于高温蠕变性能好和密度低（相当于高温合金密度的50％），是理想的高温结构材料。但其室温塑性过低限制了在工程上的使用。基于此，人们正在对这种材料的脆性本质进行深入研究，意在保持原有特性前提下提高其室温塑性，从而将NiAl金属间化合物开发成为具有实际使用价值的新型高温结构材料[1]。
最近几年，航天飞机及先进喷气发动机计划促进了新的高温结构材料的发展，钛铝系金属间化合物作为新的一代耐热材料获得了深入的研究，并取得了重大进展，正向实用化方向迈进。
目前正在研究发展NiAl系化合物基复合材料，由于对化学组成、添加元素的深入研究以及采用各种新的制备工艺技术，无论在性能提高还是制备各种形式的材料和构件方面，都取得了显著进展。尽管如此，它们离实用化阶段还有一定的距离，今后应该加强材料性能与显微组织和加工工艺参数间关系研究，进一步提高NiAl系金属问化合物的高温强度，改善抗蠕变性，提高室温塑性及抗氧化性能。
1.2 NiAl基合金的物理性质
NiAl是Hume-Rotheryβ相电子化合物，价电子与原子数之比为3/2，它的晶体结构是简单立方的CsCl结构，可以用两个互相贯穿的简单立方晶胞（Al原子占据一个亚晶格，Ni原子占据另一个亚晶格）来描述，见图1。NiAl单相区存在一个较宽的成分范围（45-60at%Ni），等原子比NiAl熔点为1638℃，见图2. NiAl的晶格常数与化学计量比有很大关系，化学计量比NiAl的晶格常数最大，为0.2887nm。化学计量比NiAl的密度是5.86 g/cm3，仅及镍基高温合金比重的2/3。人们对NiAl单晶和多晶材料的弹性行为进行了研究。结果表明，NiAl单晶的弹性系数是温度、冷却速率和化学成分的函数，而且是各向异性的，各向异性因子强烈地依赖于晶体取向和化学成分[3]。NiAl多晶的弹性系数对工艺路线和温度非常敏感，但对化学成分不敏感。NiAl的热膨胀系数与Ni基高温合金相似，化学计量比NiAl从277℃—1017℃的热膨胀系数为15.1x10-6K-1，较低温度下热膨胀系数变小。例如，从120K时的7.8x10-6K-1，变化到340K时的12.64 x 10-6K-1 。Ni Al的热传导率大，在20-1100℃范围内为70-80Wm-1K-1，是Ni基高温合金的4-8倍。近期的研究表明，NiAl加入合金化元素Ti和Re后，其热传导率显著下降。