快速凝固ni-sc金属间化合物的组织与性能

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1、博士学位论文快速凝固Ni-Sc金属间化合物的组织与性能申请人姓名：陈昊指导教师：郭学锋教授学位类别：工学博士专业名称：矿业工程研究方向：矿物材料工程河南理工大学材料科学与工程学院二○一七年六月中图分类号：TG146.4密级：公开UDC：620单位代码：10460快速凝固Ni-Sc金属间化合物的组织与性能StudyontheMicrostructuresandPropertiesofRapidlySolidifiedNi-ScIntermetallics申请人姓名陈昊学位类别工学博士专业名称矿业工程研究方向矿物材料工程导师郭学锋职称教授崔红保副教授提交日期2017年5月

2、答辩日期2017年6月河南理工大学致谢岁月如流，五年的博士求学生涯已近尾声，在此期间取得的每一个进步、获得的每一项成绩，都凝聚着所有关心过我、帮助过我的每一位老师和同学的心血和汗水，基于他们的支持和帮助，我才顺利完成了学业。感谢导师郭学锋教授对我在科研、学习上的指导以及工作上的关心和帮助。郭老师知识渊博、治学严谨、师德高尚，尤其是他献身科研事业的精神时刻激励着我、鞭策着我，坚定了我完成学业的决心和信心。在我的求学之路上能遇到郭学锋教授这样的好导师是我的荣幸。在我论文写作过程中，郭老师不厌其烦地修改了多次，每一章、每一节都悉心指导，使我获益匪浅，从中学到了不少过硬的专业

3、知识和科研技能。师恩浩荡，终生难忘，在论文完成之际，谨向尊敬的郭老师表示诚挚地谢意和崇高地敬意！感谢河南理工大学材料学院为我提供的良好地学习、实验环境，感谢管学茂教授、张义顺教授、张志教授、朱建平教授、米国发教授、崔红保副教授、曹新鑫副教授、张建新副教授、王海燕副教授、周爱国副教授、王李波博士、杨政鹏博士、杨文朋博士及研究生师弟师妹常亚涛、朱攀攀、原志鹏等在急冷和深过冷实验、数据分析、第一性原理计算及论文撰写和修改过程中给予我的指导和帮助，你们辛苦了，谢谢！感谢我的父母和妻子在求学期间对我一直的理解、支持和关心，让我有更多的时间和精力投入到课题研究中，为我顺利完成学业

4、提供了坚实的后盾和保障！再次向以上帮助过我的老师、同事、同学和家人表示衷心的感谢！祝他们工作顺利、身体健康、万事如意！另外，论文的研究工作得到了国家自然科学基金项目（项目编号：51271073）的大力支持，在此深表谢意！陈昊二0一七年五月摘要近年来，金属间化合物被认为是航空材料和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料，越来越受到材料界的重视和青睐。NiSc是具有B2结构的金属间化合物，而对于过冷B2组织演化和组织与韧塑性的相关性尚无研究，对B2快速凝固机制、组织演化与韧塑性之间的关系缺乏认识，更没有韧性B2化合物非平衡凝固方面的研究工作。本文采用实验研究和理论计算

5、分析相结合的方法，探索不同过冷条件下B2制备机理，分析其组织演化规律。在组织研究基础上，通过分析和测试材料的力学性能，并用第一性原理计算其物理特性，揭示B2-NiSc的本征性能。研究表明，在急冷快速凝固条件下获得均质单相B2-NiSc组织概率很低，因Sc含量的损失，枝晶间出现了(Ni2Sc+NiSc)共晶组织。随着溶质含量的增大，合金进一步接近单相组织B2-NiSc，但仍然有微量第二相Ni2Sc存在。吸铸尺寸或薄板试样厚度对冷却速率和Ni-Sc合金的组织有很大影响。吸铸尺寸或薄板厚度越小，冷却速率越大，得到的组织越细小，共晶组织也越少。急冷快速凝固组织经均匀化热处理后

6、，因固态扩散，枝晶形貌消失，组织发生聚集形成了新的晶粒。凝固速率对热处理组织有显著影响，合金直径或薄板厚度越小，冷却速率越大，粒化越明显。对薄板厚度为2.50mm的Ni-50%Sc（为at%，后同）合金进行940℃/3~15d不同时间的热处理后发现，随着热处理时间的增加，分散在基体中的Ni2Sc相开始变得更加扩散和逐渐增加，体积分数首先下降，然后增加；Ni-50%Sc合金的拉伸强度和硬度首先增加然后降低，最佳处理温度为940℃/9d，抗拉强度和硬度分别达到了131.85MPa和63.26HRC。根据杰克逊界面理论，B2-NiSc金属间化合物枝晶方式生长表现为非小平面特

7、性，这与实验观察到的组织照片相一致。采用高真空封闭坩埚结合熔融玻璃净化法使得Ni-50%Sc合金获得了ΔT=170K的深过冷。这样的过冷度可以改变其生长模式，但是不能发生完全溶质截留，无法抑制第二相的生成。ΔT=110K时过冷组织为B2-NiSc+(Ni2Sc+NiSc)共晶，共晶组织分布在最后凝固的枝晶臂根部或枝晶之间。ΔT=170K时的过冷组织开始有粒化的趋势，但是还有中等过冷区间定向凝固的痕迹，ΔT=170K是对应固溶体类合金的二次粒化的临界过冷度ΔT*，组织中仍然存在分散的离异共晶形态的第二2相。深过冷快速凝固Ni-50%Sc合金，因为高度活