基于FRSIP技术的Ni-Al合金层状微观结构与力学性能的优化

《Materials Science and Engineering: A》：Optimization of layered microstructure and mechanical properties of Ni-Al alloy based on FRSIP

采用FRSIP工艺制备了层状Ni-Al合金，通过微观结构调控和硼微合金化，实现了室温强度824 MPa、延展性18.0%，以及1000°C强度116.8 MPa的优异性能，揭示了层间反应机制及硼的强化增塑效应。

　　

王帅|王东军|吴蓓青|高天翼|邱高松|刘刚

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001，中国

摘要

为了解决通过成形与反应合成集成工艺（FRSIP）制备的难变形Ni-Al合金薄壁组件的应用需求，本研究探讨了基于层压箔的合金板材的制备工艺和性能优化。设计并制备了具有Ni/Ni₃Al和Ni₃Al交替层状结构的合金。该合金在室温（RT）下的抗拉强度为824.0 MPa，在1000°C下的抗拉强度为116.8 MPa，相应的延伸率分别为18.0%和18.5%。通过分析Ni–Al合金各层内的微观结构演变，揭示了Ni₃Al从颗粒状晶粒向大片状沉淀物转变的机制，并建立了其与力学性能之间的关联。此外，通过用Al(B)合金箔替代纯Al箔来优化性能，结果显示硼（B）在Ni₃Al层间界面处发生偏聚。与Ni-Al合金相比，Ni-Al-B合金的室温强度提高了约9%，延伸率提高了26.7%，同时高温（1000°C）强度提高了22.7%。此外，还详细讨论了添加B所导致的强化和塑化机制。

引言

Ni-Al合金（如NiAl和Ni₃Al）具有高比强度、优异的高温抗氧化性和良好的导热性，使其成为航空航天和燃气轮机行业高温结构应用的理想候选材料[1]、[2]、[3]。然而，它们在室温下的固有脆性和较差的成形性严重限制了其实际工程应用[4]、[5]。成形与反应合成集成工艺（FRSIP）通过利用金属箔或层压板材的优异成形性能，并采用“先成形再制备合金”的策略，有效解决了Ni-Al合金组件的成形难题[6]。尽管通过FRSIP成功制备出了接近净形的组件，但NiAl和Ni₃Al等金属间相的固有低韧性仍导致明显的宏观脆性，限制了它们作为结构部件的可靠性[7]。 在宏观尺度上，仿生层压复合材料的构建已被证明是提高室温延展性的有效方法[8]、[9]、[10]。通过交替堆叠脆性金属间相和延展性金属层，可以显著提高材料的整体断裂韧性和变形能力。孙等人[11]使用轧制工艺制备了高塑性的DsTi700-Ti43Al9V层压复合材料。Price等人[12]系统研究了残余Al体积分数对Ti-Al₃Ti金属间层压（MIL）复合材料力学性能的影响，发现3-15%的残余Al含量可以实现强度和韧性的平衡。Rohatgi等人[13]证明Ti-Al₃Ti MIL复合材料的断裂韧性比单相Al₃Ti高出大约一个数量级。Wang等人[14]采用创新的“多薄箔”和“两阶段反应”策略成功制备了抗压强度为2.3 GPa的304SS-FeAl MIL复合材料。进一步的性能优化研究表明，Vecchio等人[15]通过在Ti–Al₃Ti复合材料中加入Al₂O₃陶瓷纤维，使断裂韧性提高了近三倍。Wang等人[16]发现，对430不锈钢基MIL复合材料进行高温退火可形成B2-FeAl梯度层，有效优化了界面应力分布。韧性增强机制包括但不限于裂纹尖端钝化[17]、裂纹偏转[18]和延展性韧带桥接[19]。作为一种利用金属箔作为原料并采用原位反应原理合成合金的工艺，FRSIP为制备具有仿生层压复合结构的组件提供了实际优势[20]。例如，Wang等人[21]使用Ni和Al箔成功制备了具有层状复合微观结构的管状组件。

在微观尺度上，合金化是提高Ni-Al合金塑性的重要方法。例如，添加微量B（通常<0.1 at.%）会在晶界处引起B的偏聚，从而净化晶界（减少杂质偏聚）[22]、[23]，增强晶界凝聚力[24]、[25]，并改变界面处的电子结构。研究表明，B掺杂能有效抑制晶间断裂，促进从完全晶间断裂向混合晶间/晶界断裂模式的转变，并显著提高室温下的抗拉延展性[26]。 基于FRSIP技术在提高Ni-Al合金组件成形性方面的现有进展，本研究提出了一种层状复合设计策略，以增强室温下的塑性。目标是制备具有层状微观结构的Ni-Al合金并改善其力学性能。此外，还采用了微合金化技术来优化其整体性能。

章节摘录

Ni-Al合金板材的合成

Ni-Al合金板材的合成始于Ni元素箔（N6）和Al箔（成分：表1；厚度：表2）。制备过程包括交替堆叠20层Ni箔和19层Al箔。堆叠后的组件经过初始烧结（600°C/1 h/25 MPa）固化成Ni/Al(B)复合板材。随后的加热（800°C/40 min/无压力）选择性地去除了Al相。最终对合金板材进行退火（1200°C/1 h/25 MPa）以促进扩散

层状结构合金的制备

图2显示了不同温度下Ni-Al合金的SEM图像。EDS分析表明，Ni-Al合金的微观结构由Ni相、Ni₃Al相和NiAl相组成，如表3所示。Ni、Ni₃Al和NiAl相呈现出明显的层状和顺序分布，排列顺序为Ni层-Ni₃Al层-NiAl层-Ni₃Al层-Ni层。随着反应温度的升高，Ni₃Al层逐渐变厚，而NiAl层则变薄

层压合金的微观结构和性能演变

为阐明Ni-Al合金层状微观结构的演变机制，图9提供了示意图。如图9(a)所示，Ni和Al箔交替堆叠，在温度和压力的共同作用下发生扩散和反应。图9(b)显示，随着反应的进行，Al相完全消耗，形成了Ni₃Al和NiAl相，分别构成了Ni₃Al层和NiAl层

结论

• (1)
  本研究通过层压Ni和Al箔成功制备了Ni-Al合金。该合金在室温下表现出显著的高抗拉强度（824.0 MPa）和良好的延展性（18.0%），同时在1000°C下的抗拉强度仍保持在116.8 MPa。
• (2)
  Ni-Al层状合金表现出独特的微观结构演变机制，其中Ni₃Al层从完全由Ni₃Al晶粒组成，逐渐转变为Ni/Ni₃Al层中分散的LLNP（层状纳米颗粒）。

CRediT作者贡献声明

王帅：撰写——原始草稿，研究，数据整理。高天翼：研究。邱高松：正式分析。王东军：撰写——审阅与编辑，方法论，概念化。吴蓓青：方法论。刘刚：监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52175298）的财政支持。