纳米结构镍基粉末高温合金及复合材料

【作者】 张德良； 夏天； 张义文； 迟悦；

【机构】 上海交通大学； 钢铁研究总院；

【摘要】 传统的高温合金都强调要大的晶粒尺寸甚至单晶,这是因为材料科学原理教科书告诉我们合金的晶粒越小,晶界面积越大,原子扩散越容易,这样材料越容易在高温和应力的作用下通过晶粒的倾转和变形发生塑形变形,从而使材料蠕变速度加快,缩短材料的高温持久性。然而,教科书知识和近期的相关材料研究也告诉我们分布于晶界的高熔点的纳米陶瓷颗粒有明显的晶界钉扎作用,同时在热力学驱动力作用下的溶质原子在晶界的富集偏析也能使晶粒生长变得相对非常困难。这些信息暗示陶瓷纳米颗粒在晶界上的大量分布和溶质原子（尤其是高熔点的溶质原子）在晶界上的偏析很有可能使原子沿晶界扩散速度大大降低,从而使其不能成为造成晶粒倾转和变形的有效渠道。而同时,晶界还同样对位错的移动起着有效的阻碍作用,提高材料的高温屈服应力。通过这些机理,有着分布于晶界的纳米陶瓷颗粒和晶界溶质偏析的超细晶高温合金基纳米复合材料将有可能具有比传统粗晶高温合金更高的高温强度,稳定性和持久性能。由于晶界得到强化,有可能材料会具有更好的塑形,断裂韧性和疲劳寿命。这类材料需要通过粉末加工和固结才能得到,所以粉末中有可能含有的陶瓷杂质颗粒将被细化成纳米尺寸,这一方面把它们对材料力学性能的副作用消除,一方面也把它们变成结构稳定化和性能强化的纳米陶瓷颗粒。基于以上考虑,科研团队采用高能球磨对FGH97粉末和（0-10）%（体积比）Y₂O₃纳米颗粒混合体进行研磨,把Y₂O₃纳米陶瓷颗粒分布和溶解到FGH97合金基体中,同时把FHG97合金的晶粒细化到100纳米以下。大量的晶界和随之而起的大量附加晶界自由能会可能会造成溶质原子（如W）偏析到晶界上。通过结合粉末热压,感应加热,热挤压,热锻等工艺步骤热机械粉末固结工艺把粉末固结成超细晶高温合金基纳米复合材料,研究材料的显微结构及其与工艺条件的关系,研究材料的室温力学性能,高温力学性能,蠕变和持久性,及其与显微结构的关系。分析材料的塑形变形机理和断裂机理。本报告将展示以上工作所基于的材料科学原理和文献基础,届时得到的主要实验结果,以及对实验结果进行分析和讨论。更多还原