NiAl合金研究中的几个重要发现

综述了作者等从1988年至今,在＂七五＂至＂九五＂国家＂863＂计划项目、国家自然科学基金面上项目、重点和重大项目（子课题）以及＂九五＂和＂十五＂重点项目支持下取得的最主要的科研成果,重点介绍了NiAl合金研究中的几个重要发现：1NiAl及NiAl合金超塑性的发现及其机理研究。已发现10多种NiAl合金具有超塑性,超塑性变形的最大延伸率在160%~480%范围波动,可以利用超塑性成型制成形状复杂的无余量NiAl合金零件。2纳米晶NiAl合金的强韧化及其良好高温稳定性的发现。纳米晶NiAl、NiAl合金及NiAl复合材料与粗晶粒相应材料相比,室温至高温的强度和塑性均有明显提高,实现了强韧化。发现纳米晶NiAl经1 000℃高温长时退火,仍然保持纳米晶粒组织,从而消除了人们对纳米晶Ni Al材料在高温晶粒迅速长大从而失去一切优越性能的疑虑。3内生颗粒NiAl基复合材料的强韧化及界面非晶层的发现。已研究的NiAl基复合金的强度和塑性同时获得提高,实验发现在Ni Al基体和增强颗粒界面存在一种合适的非晶层,能有效吸收界面处残余热应力,有利于改善塑性和韧性。4NiAl合金自润滑耐磨行为的发现及其机理研究。新近发现Ni Al合金具有良好的自润性能,这是由于在高温摩擦磨损过程中,摩擦表面生成了1~3μm厚的玻璃陶瓷润滑膜。5NiAl共晶中Hf的沉淀强化作用的发现及JJ-3合金的研制。发现Hf加入NiAl共晶合金在NiAl基体、晶界和相界析出弥散分布的Ni2Al Hf相,起沉淀强化和界面强化作用。利用这一发现,发展了一种综合性能良好的JJ-3合金,它在1 100℃高温强度超过几乎所有的等轴晶高温合金。

NiAl复合涂层中强化相的形成机理及其对磨损性能的影响

目的提高NiAl复合涂层的硬度,扩大它作为涂层材料在矿山机械和石油化工领域的应用范围。方法TiC、TiB_(2)金属陶瓷颗粒具有较高的熔点、硬度、弹性模量及较好的化学稳定性,是一种优良的高温结构材料。采用等离子熔覆技术在Q235低碳钢表面制备NiAl金属间化合物涂层和TiC-TiB_(2)强化NiAl复合涂层,研究涂层的微观组织结构、金属粉末反应热力学、TiC-TiB_(2)强化相的形成机理和涂层的摩擦行为。结果涂层组织紧密、均匀,涂层与基体具有良好的冶金结合。NiAl涂层主要由NiAl、γ-(Fe,Ni)固溶体组成。复合涂层由NiAl、Ni_(3)Al、γ-(Fe,Ni)、TiC和TiB_(2)增强相组成。TiC相呈小块状,TiB_(2)相呈短棒状。粉末反应的热力学计算进一步证明了强化相TiC、TiB_(2)的形成。强化相的形成机理与原子扩散沉淀和晶体结构有关。与NiAl涂层相比,复合涂层的平均硬度从416HV提高到525HV,摩擦因数和磨损失重(质量损失)从0.68、0.376 g分别降至0.54、0.192 g。NiAl涂层磨损表面出现较多大且深的犁坑,NiAl复合涂层磨损表面较为平滑,只有少量浅犁沟。结论TiC和TiB_(2)主要通过溶解、扩散和沉淀析出方式形成。NiAl复合涂层具有高硬度、低摩擦因数和较少的磨损失重,具有优异的耐磨性能。在基体中弥散分布的小块状TiC颗粒和组织稳定性高的强化相有利于提高NiAl复合涂层的硬度和磨损性能。NiAl涂层的磨损机理主要为黏着磨损,复合涂层的磨损类型以磨粒磨损为主。

等离子喷涂NiAl涂层对基体TC4板材力学性能的影响

在室温、高温下对含NiAl涂层的TC4板材进行拉伸试验,测试其不同应变速率和温度下的抗拉强度、伸长率。用金相显微镜观察涂层的显微组织。统计涂层的孔隙率和界面夹杂物面积。结果表明:涂层孔隙率为7.5%,结合界面夹杂物面积为35.2%。等离子喷涂NiAl无法提高TC4板材的室温及高温强度,因涂层的过早脱落,导致板材实际承载面积减小,基体强度降低,且NiAl涂层降低了TC4板材的伸长率,其原因是涂层破裂使基体表面产生裂纹,导致基体提前断裂,降低伸长率。

K改性NiAl类水滑石衍生复合氧化物催化分解N_2O

制备了Ni/Al=4.1(原子比)的NiAl类水滑石,焙烧获得NiAl复合氧化物,浸渍K2CO3溶液制备了K改性NiAl复合氧化物催化剂,其中K/Ni=0.05～0.2(原子比),用于N2O催化分解反应。通过元素分析、XRD、BET、H2-TPR、XPS等技术表征了催化剂的组成结构,考察了NiAl类水滑石的预处理方式、K负载量、焙烧温度等制备参数及反应条件对催化剂活性的影响。结果表明,K2CO3溶液浸渍焙烧态NiAl类水滑石(NiAl复合氧化物)制备的催化剂活性高于K2CO3溶液浸渍新鲜类水滑石制备的催化剂,而K/Ni=0.1、400℃焙烧的催化剂活性较高;在NiAl复合氧化物中引入K离子,增大了催化剂表面Ni2+周围的电子云密度,从而减弱了催化剂表面Ni-O键强度,降低了表面NiO的还原温度,提高了催化剂活性。

三种NiAl材料的室温摩擦磨损性能

测试二元NiAl合金、NiAl-Al_2O_3-TiC原位内生复合材料以及NiAl-Cr(Mo)Hf共晶合金的室温摩擦磨损性能,研究了磨损机制。结果表明:NiAl材料的抗磨损性能与材料的硬度和断裂韧性成正比,在磨损过程中硬质陶瓷颗粒能有效地传递应力和起到支撑作用,减轻材料的磨损。因此NiAl-Al_2O_3-TiC复合材料的抗磨损性能最好,在相同工况下其磨损率为NiAl-Cr(Mo)-Hf共晶合金的1/4-3/4和二元NiAl合金的1/20-1/10。摩擦系数随着三种NiAl材料硬度的提高而降低。三种NiAl材料的室温干摩擦磨损过程受控于塑性变形,其磨损机制主要是磨粒磨损机制,随着载荷的增加,磨损表面依次呈现出塑性变形、显微剥落和粘着磨损特征,磨损机制的改变对磨损率和摩擦系数具有重要的影响。

金属间化合物NiAl的研究进展

介绍在NiAl金属间化合物方面取得的研究成果。主要成果有:NiAl合金超塑性及其机理研究;NiAl合金韧脆转变及其机理;纳米晶NiAl合金及其复合材料;内生颗粒增强NiAl基复合材料及强韧化机制;合金元素的作用以及JJ-3合金的发展。

合金粉末组合烧结成形NiAl基合金筒形构件

基于快速凝固和热压烧结工艺,设计了合金粉末组合烧结工艺以成形高性能NiAl基合金筒形构件。结果表明:NiAl基合金组合烧结界面的结合良好,界面性能优异,光滑与粗糙表面样品界面的结合性能相似。此外,NiAl基合金组合烧结界面没有孔洞、裂纹等缺陷,显示出良好的界面结合,通过界面性能测试分析验证了组合烧结方法成形高性能NiAl基合金构件的可行性。此外,基于NiAl基合金组合烧结工艺,成形出径厚比为6、外径Φ60 mm、高度60 mm的NiAl基合金筒形件,构件整体致密度均匀性良好,改进了热压烧结成形大径厚比筒形构件的致密度不均匀难题。

介孔NiAl催化剂催化己二醇绿色合成1,6-己二胺

通过溶胶-凝胶法制备了系列介孔Ni Al催化剂,研究了不同还原温度下Ni含量为20%(x)的介孔Ni Al(20NA)催化剂在1,6-己二醇(HDO)催化氨化合成1,6-己二胺(HMDA)中的催化性能。利用N2吸附-脱附、H_(2)-TPR、CO-TPD、XRD、SAXS、XPS、SEM、TEM、ICP-OES等方法对试样进行表征。实验结果表明,低温还原后的20NA催化剂表面金属Ni0粒径较小,具有较高的HDO转化率。440℃还原的20NA催化剂在温和反应温度(190℃)下,HMDA最高产率可达30.9%,除低聚物外的高附加值产物的总选择性高达94.7%(x),HDO转换频率与文献报道的贵金属Ru基催化剂相当。通过调节还原温度可有效控制20NA催化剂表面金属Ni0位点的纳米尺寸。

合金元素对bcc-Cu/NiAl共析出影响的第一性原理研究

bcc-Cu和NiAl共析出是高强度钢常用且有效的强化方式。为了探究不同合金元素对bcc-Cu/NiAl共析出影响,本工作利用第一性原理计算了合金元素X(X=Cr,Co,Mo,W,V,Mn)对bcc-Cu(001)/NiAl(001)界面性质的影响,并分析上述合金元素掺杂前后界面黏附功、界面能和电子性质。研究结果表明,当Cr、Mo、W、V、Mn掺杂Al终端bcc-Cu/NiAl界面时,界面的黏附功升高,界面能下降,有利于bcc-Cu/NiAl共析出,其中Mo、W、V合金化效果更佳。掺杂Ni终端界面时,界面稳定性低于掺杂Al终端时。电子结构分析表明,掺杂Al终端时,掺杂原子与界面处Cu原子之间的电子轨道产生明显杂化,显著加强原子间的相互作用。而替换Ni原子时,轨道杂化程度较弱。Mo、W、V掺杂后,界面处电荷密度增加,Cu原子与合金原子之间形成更强的非极性共价键。

基于层状双氢氧化物前驱体的CO_(2)甲烷化NiAlNd催化剂

采用乙二醇溶剂热法合成了一系列基于层状双氢氧化物前驱体(LDHs)的NiAlNd催化剂。Nd的引入大大提高了CO_(2)甲烷化的低温催化活性。在T=210℃,WHSV(weight hourly space velocity)=24000 mL·g^(-1)·h^(-1),p=100 kPa的条件下,NiAlNd-0.4催化剂上CO_(2)转化率达到83.9%。Nd^(3+)取代部分Al^(3+)阻碍了前驱体中LDHs结构的形成,同时也减小了焙烧后催化剂的粒径。Nd的加入削弱了NiO与Al_(2)O_(3)之间的相互作用,促进了NiO的还原,提高了Ni的本征活性。此外,Nd的添加提高了催化剂表面碱性位的数目,从而增强了对CO_(2)的吸附。随着Nd掺杂量的增加,还原后的催化剂中金属Ni的表面积呈火山形变化。Ni活性位的数目和本征活性同时影响NiAlNd催化剂的催化活性。

基于NiAl强化的薄带连铸高强无取向硅钢组织和性能调控

采用短流程薄带连铸工艺制备0.35 mm厚高强无取向硅钢,利用OM、XRD、EBSD以及TEM分析实验钢组织演变及时效过程NiAl析出相对性能影响。结果表明,铸带为粗大柱状晶和不均匀等轴晶,主要为λ织构和α织构。退火带主要为中等强度的α*织构、较强Goss织构和Cube织构以及γ织构,强度峰值分别为3.16、3.68、3.70和4.66。随着时效时间增加,硬度从退火态的274 HV增加到峰值394 HV后逐渐下降。550℃峰值时效4 h得到高密度平均尺寸为8~10 nm的NiAl析出相,可有效抑制位错的运动而使实验钢屈服强度达到889 MPa;同时磁性能没有大幅恶化,磁感应强度B50达到1.62 T,铁损P1.0/400为31.4 W/kg。因此,基于NiAl相沉淀强化可为高性能高强无取向硅钢开发提供新的思路和方法。

异种丝材电弧喷涂ZnNiAl涂层的组织与耐磨耐蚀性能

采用双枪同时电弧喷涂Ni95Al5丝材与Zn85Al15丝材在Q235钢基材表面制备了Zn NiAl涂层。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)表征了涂层的物相、表面形貌以及成分,并通过硬度试验、摩擦磨损试验和电化学试验研究了涂层的耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明:Zn NiAl涂层由Zn相、Ni(Al)固溶体相以及Al相等多相组织组成,且存在少量的氧化物颗粒与微孔洞;其磨损形貌呈现出黏着磨损与磨粒磨损复合特征,涂层中锌、铝元素的钝化作用以及镍元素加入可降低涂层腐蚀速率,实现耐磨、耐蚀性能提升。

碱金属助剂类型及前驱物对改性NiAl复合氧化物催化分解N_2O活性的影响

制备了不同Ni/Al原子比的NiAl类水滑石样品,焙烧获得NiAl复合氧化物,用于N2O分解反应,研究了NiAl复合氧化物组成对催化活性的影响。在活性较高的NiAl复合氧化物表面浸渍碱金属碳酸盐溶液,制备改性NiAl复合氧化物,考察了碱金属类型(Na、K、Cs)和钾前驱物(K2CO3、K2C2O4、CH3COOK、KNO3)对改性催化剂活性的影响。用XRD、ICP-AES、FT-IR、BET、H2-TPR、XPS技术表征了催化剂的组成结构。结果表明,Ni/Al原子比为2.7的NiAl复合氧化物催化活性较高;Na、K、Cs碳酸盐改性NiAl复合氧化物均提高了催化剂活性,其中K的助剂效应最强。钾前驱物对K改性NiAl复合氧化物的催化活性有显著影响,其中碳酸钾、醋酸钾、草酸钾的加入明显提高了改性催化剂的催化活性,而加入硝酸钾反而降低了催化剂活性。

预氧化技术对NiAl激光熔覆涂层组织及性能的影响分析

深入探讨预氧化技术对NiAl激光熔覆涂层的影响,包括涂层的组织结构和硬度、摩擦系数、耐磨性等关键性能指标。实验结果表明,经预氧化技术处理后,NiAl激光熔覆涂层除了NiAl主相外,还新增了Al_(2)O_(3)物相,且涂层硬度在NiAl涂层的基础上提升了约20%,摩擦因数降低了约23%,同时耐磨性得到显著提升。由此得出,通过预氧化技术使NiAl激光熔覆涂层实现了从组织结构到性能的良性转变,有较高的实践应用价值。

NiAl微晶涂层对两种NiAl基共晶合金高温氧化性能的影响

研究了磁控溅射NiAl微晶涂层对NiAl-28Cr-5Mo-1Hf和NiAl-33.5Cr-0.5Zr两种共晶合金在1000-1150℃静态空气中氧化性能的影响.添加Cr,Mo,Hf,Zr等元素使NiAl合金由单相转变为多相结构,高温氧化后表面分别形成抗氧化性能较差的Al2O3+Cr2O3十HfO2和Al2O3+Cr2O3十ZrO2复合氧化膜,并且发生严重的内氧化.施加NiAl微晶涂层后,高温下表面形成致密的单一氧化物Al2O3,抗氧化性能得到明显提高.

共晶NiAl-9Mo合金的超塑性行为

研究了共晶 ＮｉＡｌ－９Ｍｏ合金的超塑性行为及其变形机制．该合金的微观组织由 ＮｉＡｌ以及 ＮｉＡｌ和α－Ｍｏ共晶体组成．在 １３２３－１３７３ Ｋ温度区间，以 ５.５５×１０－５－１．１１×１０－４ ｓ－１的应变速率拉伸变形时，表现出超塑性行为，最大延伸率达到 １８０％，应变速率敏感性指数达到 ０．５６．超塑性的变形机制为初生 ＮｉＡｌ基体的晶界滑动，断裂起源于超塑性变形过程中产生的孔洞．

纳米NiAl相对铁基合金显微组织、力学及氧化性能的影响

目的通过机械合金化与热压烧结相结合的方法制备含有B2结构纳米NiAl相的铁基合金,研究不同含量(质量分数为30%、40%、50%、60%)的纳米NiAl相,对合金显微组织及力学性能的影响。方法以Ni粉和Al粉为原材料,通过高能球磨法制备B2结构纳米NiAl粉体,采用真空热压烧结炉将NiAl粉体与Fe粉混合烧结,得到块体试样。采用扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)进行微观组织观察,采用能谱仪(Energy dispersive spectroscopy,EDS)、X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)以及透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)进行物相分析,并测试不同NiAl含量的铁基合金的硬度、密度、室温压缩性能以及600℃的抗氧化性能。结果合金的硬度、抗压强度随NiAl含量先增后降。当NiAl的质量分数为50%时,合金硬度为35.2HRC,抗压强度为2530MPa,密度为6.68g/cm^3,较未添加NiAl时,合金的抗压强度提升了239.6%,密度降低了14.5%。θ=600℃、t=1200min时,其表面氧化增重较纯铁降低了37.9%,此时NiAl相的尺寸约为100~200nm,组织最为均匀,致密度较高。结论纳米NiAl相在降低铁基合金密度的同时,能有效提升其力学性能与抗氧化性能,但由于B2结构的纳米NiAl相为一种硬脆相,当其含量过高时,会极大程度地降低合金的力学性能。

爆炸喷涂富Al的NiAl涂层对Ti22Al26Nb合金循环氧化性能的影响

采用爆炸喷涂在Ti2 2Al2 6Nb基体上制备了富Al的NiAl合金涂层。XRD分析表明 ,退火后涂层为富含Al的 β-NiAl相以及少量的Al3 Ti和Al3 Nb .在空气中 80 0℃下的循环氧化实验表明 ,这种富含Al的NiAl涂层抗氧化性能很好 .循环氧化过程中没发现涂层剥落 ,氧化动力学曲线为抛物线型 .

NiAl微晶涂层对NiAl-TiC复合材料高温氧化性能的影响

研究了磁控溅射 ＮｉＡｌ 微晶涂层对ＮｉＡｌ－ＴｉＣ（２０％，体积分数）复合材料１０００－１１００℃高温氧化性能的影响．结果表明，ＮｉＡｌ微晶涂层大大提高了ＮｉＡｌ－ＴｉＣ复合材料的恒温及循环氧化性能，降低氧化速率几个数量级，对于 ＮｉＡｌ－ＴｉＣ复合材料来说，其表面形成以ＴｉＯ２为主的复合氧化物，而施加 ＮｉＡｌ微晶涂层后，其表面氧化物主要是 Ａｌ２Ｏ３．

NiAl的基体高温条件下抗循环氧化性研究

本文通过整理各学者对NiAl合金高温条件下抗循环氧化性的研究,对如何提高NiAl合金高温条件下抗循环氧化性能作了概括综述。通过研究发现,提高NiAl合金的抗氧化性能主要通过三个方面,一是通过表面物理强化的方法减少NiAl涂层在高温氧化情况下的孔洞的方法;二是通过掺杂Zr、Hf元素的方法,高温情况下Zr、Hf的氧化物可有效改善NiAl涂层的附着力及高温抗氧化能力。