Ni基合金微/纳米晶形成及高温稳定机理研究

摘要

材料成形过程中的非平衡性与随后的固态晶粒长大之间的内在联系在材料制备中变得越来越重要。基于此，本文选取两种非平衡制备方法：深过冷快速凝固方法和高能球磨法制备Ni基微米晶/纳米晶单相过饱和固溶体，随后进行真空热处理，借助高速摄影，X射线衍射仪（XRD），扫描电子显微镜（SEM）以及透射电子显微镜（TEM）等对凝固过程和试样组织进行分析，结合非平衡凝固模型和晶粒生长热动力学模型研究晶粒的高温稳定性及其与非平衡形成过程的本质关联。得到以下主要结论： (1)利用循环过热与熔融玻璃相结合的方法制备了200K以上的大过冷Ni基合金试样。基于高速摄影实时监测技术、非平衡枝晶生长理论和应力累计模型，证明了细化组织是由应力累积引起的再结晶导致的。 (2)基于非平衡凝固组织的热处理，发现了两次晶粒生长和稳定的晶界动态偏析现象。通过晶粒生长热动力学模型计算证实，一次稳定源于溶质元素向晶界的偏析导致晶界能的减小，随后的再次生长源于第二相的产生导致晶界能的增加。同时发现，最终晶粒尺寸与初始熔体过冷度呈现反比例关系，而与溶质含量呈现“V”字形关系。通过非平衡枝晶生长模型和晶粒生长热动力学模型计算证明上述现象同样归因于晶粒生长热力学（晶界能）和动力学（溶质拖拽和第二相钉扎）的竞争。 (3)通过机械合金化法制备了不同成分的Ni基单相过饱和纳米粉。对粉末进行不同时间、不同温度的退火处理，结合XRD、TEM和高分辨研究了晶粒尺寸、退火时间与温度的本证关联。实验发现溶质元素的加入产生的晶界修饰作用能较好提高粉末的热稳定性能，使样品在900℃仍然保持在100nm以下。

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