液相原位氧化法制备Y2O3弥散镍基合金及Y2O3的形成机制

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氧化物弥散强化(ODS)镍基合金以高熔点的氧化物颗粒(如Al2O3、Y2O3等)作为弥散强化相。与铸造镍基高温合金相比,ODS合金不会出现析出强化相随着环境温度的升高回溶入基体的情况,因此工作温度不必受限于强化相溶解温度。这一特性使ODS合金在许多需要面对高温极限工作条件的产业中具有广阔的应用前景。Y2O3弥散强化镍基合金的氧化物弥散强化机制,可以简单地看作是位错绕过机制,其强化效果与氧化物颗粒的半径和体积分数有关。氧化物半径越小、体积分数越大,强化效应就越强。因此欲提高Y2O3弥散强化镍基合金的强度也应从这两方面入手。但使用机械合金化方法制备Y2O3弥散强化镍基合金时,过度提高氧化物的含量导致氧化物颗粒弥散不均匀,而机械合金化过程中细小的Y2O3颗粒容易与合金的γ’相组成元素Al反应生成粗大的产物,都不利于提高材料强度。因此,有必要开发新的ODS镍基合金制备工艺。本文采用液相原位氧化法制备纳米Y2O3弥散分布的镍基合金。该方法是将Ni-Y合金加热到液相线温度以上,通过选择氧化气氛使熔融的合金中的Y原子发生择优氧化,生成纳米级均匀弥散分布的Y2O3颗粒。对产物的物相、微观结构和组成进行表征,研究了反应温度、反应时间和Y含量对Y2O3粒子形成和长大的影响,揭示液相线原位氧化反应机制。首先,采用感应熔炼制备出了不同Y含量的Ni(Cu)-Y合金。Cu作为基体的固溶元素被加入,目的是使Ni基体的某些晶面间距和氧化后生成的Y2O3的晶面间距共格。通过XRD、光学显微镜、扫描电镜和能谱对制备的样品进行了物相和结构表征,结果表明Y元素在合金中以Ni17Y2金属间化合物的形式存在。Cu在Ni的晶格和Ni17Y2中均可固溶,且固溶能力相当。得到的合金呈现出典型的合金金相组织。其次,采用液相原位氧化N(iCu)-Y合金制备了Y2O3颗粒弥散镍基合金。研究了Y含量,氧化温度,氧化时间对材料物相、结构的影响,结果表明在液相线温度发生原位氧化反应制备的Y2O3颗粒弥散分布的镍基合金样品中Y2O3颗粒和基体具有特定的位向关系:晶面(653)Y2O3//(220)Ni。Y2O3粒子的粒径随着合金中Y含量上升而增大,粒子间距几乎不受Y含量影响。氧化时间对Y2O3粒子粒径不会造成明显影响。氧化温度越高,得到的Y2O3粒子粒径越大,且与基体不再具有明显的取向关系。Y2O3的形成长大机制为:合金熔液中Y聚集,然后氧化形成Y2O3核心,Ni(Cu)在Y2O3核心上形核,然后Y2O3和Ni(Cu)共同长大,直至Ni(Cu)将Y2O3完全包围,Y2O3的自由长大结束,几乎不再发生长大。
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