Al-Ni-Y 三元合金定向凝固组织及高温压缩性能研究

周 凡 ，郭晓鑫

（1.天津冶金职业技术学院，天津 300400；2.晋中职业技术学院，山西 晋中 030600）

定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术[1]。人们利用定向凝固技术让晶粒沿受力方向生长，消除横向晶界，高温强度、蠕变性和持久特性、热疲劳性能有大幅度的改善[2]。

富Al的Y-Ni-Al合金[3]表现出的诸如低密度、耐热与耐蚀、细小晶粒结构等优点，并且被证明具有高非晶形成能力，尤其是这个体系的金属非晶和复合材料等具有出色的综合性能。但多年来，人们对于铝合金的定向凝固研究大多集中在二元铝合金，尤其以Al-Cu、Al-Ni居多[4]。对于三元铝合金凝固的研究大多也只是停留于相图模拟阶段，而对于三元铝合金定向凝固更少有人触及[5]。

1 实验

选用纯度为99.7%的Al锭、纯度为99.9%的Y和纯度为99.9%的Ni作为原料，在真空感应熔炼炉中熔炼成分为96.5 at%Al、2.6 at%Ni、0.9 at%Y的三元合金，浇铸成尺寸为φ18mm×180mm的试样棒，成为原始铸态母材。将试样棒放在φ20mm×200mm的石墨磨具内，在真空熔炼氩气保护定向凝固炉中进行定向凝固。定向凝固工艺参数如下：温度梯度为5K/mm，拉伸速率分别为1mm/min、5mm/min、10mm/min。选取个定向凝固条件下中间段试样利用金相显微镜进行横截面和纵截面的金相组织观察。采用Gleeble3500热模拟机进行高温压缩试验。

2 结果与讨论

2.1 Al-Ni-Y三元合金原始铸态组织

根据原始铸态Al-Ni-Y三元合金的X射线衍射分析结果，用material-studio软件建立Al-Ni-Y可能形成相的模型与所设计合金的X射线图谱进行对比分析，可以确定95.6%Al、2.6%Ni、0.9%Y的三元合金铸态原始组织为(Al)相、YAl3相和Al23Ni6Y4相。

图1为Al-Ni-Y三元合金铸态横截面组织。根据能谱相组成分析得到，白色相为基体(Al)相，灰白色片呈层状的为YAl3相，少量深黑色棒状组织为Al23Ni6Y4，YAl3相和Al23Ni6Y4相较少。

图1 Al-Ni-Y三元合金横截面铸态组织

2.2 Al-Ni-Y三元合金定向凝固试样组织

图2 不同下拉速率的Al-Ni-Y三元合金定向凝固组织

图2为温度梯度5K/mm下，下拉速度分别为1mm/min、5mm/min和10mm/min的Al-Ni-Y三元合金定向凝固试样的组织对比，可以看出当下拉速度为1 mm/min时，所生成的组织为胞状晶，晶胞的形状已经比较细长。当下拉速度为5mm/min和10mm/min时，所生成的组织为柱状树枝晶，但从纵截面组织可看出，下拉速度为5mm/min时具有柱状树枝晶的组织特征，下拉速度为10mm/min时枝晶发展，枝晶的尺寸增加，而且树枝晶存在严重的断裂现象，横向晶界比下拉速率为5mm/min的组织要多。因此，下拉速度为5mm/min时所得到的定向凝固试样的组织比较理想。

2.3 高温压缩性能

通过定向凝固工艺，使Al-Ni-Y三元合金在纵截面上获得同一方向生长的组织，减少了横向晶界，从而使Al-Ni-Y三元合金在纵向上的力学性能得到改善。由前面分析可以看到，当GL=5 K/mm、R=5 mm/min时所得到的定向凝固试样的组织形状和排列比较理想，故选取此试样，对定向凝固合金的高温压缩性能进行研究。在变形温度为350℃、400℃和450℃、应变速率为0.001～1s-1、变形量为70%下进行压缩变形。不同变形条件下的峰值应力如表1所示。

表1 定向凝固试样在各实验条件下的峰值应力

应变速率相同时，峰值应力随温度的升高而降低。变形温度相同时，峰值应力随变形速率的减小而降低。铝合金在热加工时存在加工硬化和动态软化两个矛盾的过程，加工硬化主要是由变形时的位错增殖和位错间的相互作用引起的，动态软化主要由刃型位错的攀移或螺型位错的交滑移在热激活和外加应力的作用下发生位错的合并产生[6]。铝合金属于高层错能合金，主要软化机制为动态回复，定向凝固试样热压缩时也发生动态再结晶。

3 结论

（1）Al-Ni-Y三元合金凝固试样包含的相有：(Al)相、YAl3相和Al23Ni6Y4相。

（2）合金定向凝固后，纵截面上各相生长取向发生明显改变，获得了同一方向（即热流方向）生长的组织。在温度梯度相同时，下拉速度为5mm/min时，其组织越均匀、有序，且纵截面组织生长为柱状树枝晶晶转变。

（3）高温压缩时，在压缩温度相同的情况下，由于加工硬化，峰值应力随应变速率的增加而增加。在应变速率相同的情况下，由于动态软化，峰值应力随压缩温度的增加而减小。

[1]彭广威,刘健,李理等.定向凝固理论及技术的研究现状.铸造设备研究,2005,4(8):44-47.

[2]周振平,李荣德.定向凝固技术的发展.中国铸造装备与技术,2003,(2):1-3.

[3]彭德林,闵光辉等.二元Al-Li合金共晶复合材料的定向生长[J].金属学报,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铝合金热变形行为研究.重庆大学硕士论文,2006.