Ni/Ti原子数比值对NiTiAlHf合金微观组织和力学性能的影响

D0L:10.13374折.issn1001-053x.2012.12.007 第34卷第12期 北京科技大学学。报 Vol.34 No.12 2012年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2012 Ni/Ti原子数比值对NiTiAIHf合金微观组织和力学性 能的影响 宋晓云”四李岩”张菲) 1)北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京100088 2)北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191 ☒通信作者，E-mail:songxiaoyun82@126.com 摘要采用扫描电镜、室温和高温压缩实验等方法研究了N/T值对N.Ti0-ALHⅢ(x=0-7)合金的微观组织和力学 性能的影响.N,Tio-xALH,合金由NTi基体和Ti,Ni相组成，随着Ni/Ti原子数比值的增加，Ti,Ni相的尺寸和数量急剧减 少，析出强化效果减弱.室温时，随着N/Ti值的增加，NiTiAIHf合金的压缩屈服强度和显微硬度逐渐降低，塑性提高.高温 下，当Ni/Ti<1时，Ti,Ni相的析出强化起主要作用，合金的屈服强度随Ni/Ti值增加而降低：当Ni/Ti>1时，Hf固溶强化作用 的影响提高，并且T,Ni相趋于均匀弥散分布，使合金的屈服强度随N/Ti值增加而升高。在化学计量比(N/T=1)两侧，合 金的屈服强度变化不对称。 关键词金属间化合物：镍合金：钛合金：铪：微观组织；力学性能 分类号TG139'.6 Effect of Ni/Ti atom number ratio on the microstructure and mechanical prop- erties of NiTiAlHf alloys SONG Xiao-yun,LI Yan?),ZHANG Fei 1)State Key Laboratory for Fabrication Processing of Nonferrous Metals,General Research Institute for Nonferrous Metals,Beijing 100088,China 2)School of Materials Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China Corresponding author,E-mail:songxiaoyun82@126.com ABSTRACT Scanning electron microscopy (SEM)and compressive tests at room temperature and elevated temperatures were used to investigate the effect of Ni/Ti atom number ratio on the microstructures and mechanical properties of NiTisAl.Hf (=0-7) alloys.It is found that NiTis.Al.Hf,alloys are composed of NiTi and Ti Ni phases.The size and volume fraction of Ti Ni phase decrease rapidly and the precipitation strengthening effect weakens with increasing Ni/Ti values.At room temperature when the Ni/Ti ratio increases,the compressive yield strength (02)and Vickers hardness (Hv)of the alloys decrease,but the ductility increases. At elevated temperatures,for the alloys of Ni/Ti<1,the precipitation strengthening of Ti Ni phase plays the major role,resulting in a decrease of o2 with increasing Ni/Ti values:but for the alloys of Ni/Ti>1,the solid solution strengthening effect of Hf improves,and the uniform distribution of Ti Ni is more favorable for the strength,leading to the increase of o2 with increasing Ni/Ti values.The high-temperature yield strength is asymmetrical with a deviation from stoichiometry (Ni/Ti=1). KEY WORDS intermetallics;nickel alloys:titanium alloys:hafnium:microstructure:mechanical properties 近年来，NiTiAl基高温结构金属间化合物由于NiTi合金中加入一定量的Al替代Ni或Ti后可显著 具有密度低（约6g·cm3)、比强度高和抗氧化性能改变合金的组织结构，合金由单一的NTi(B2)相 优异等优点，在航空航天、汽车等领域有很大的应用 转变为B2和Ti,Ni(或Ni2TiAl)的复合结构，从而 前景，受到广泛关注习.研究发现，近等原子比 使合金的室温和高温强度大幅提高B-),其中 收稿日期：2012-0405 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51201016)

第 34 卷 第 12 期 2012 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 12 Dec． 2012 Ni /Ti 原子数比值对 NiTiAlHf 合金微观组织和力学性 能的影响 宋晓云1)  李 岩2) 张 菲2) 1) 北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 100088 2) 北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191  通信作者，E-mail: songxiaoyun82@ 126． com 摘 要 采用扫描电镜、室温和高温压缩实验等方法研究了 Ni /Ti 值对 Ni42 + xTi50 － xAl4 Hf4 ( x = 0 ～ 7) 合金的微观组织和力学 性能的影响． Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金由 NiTi 基体和 Ti2Ni 相组成，随着 Ni /Ti 原子数比值的增加，Ti2Ni 相的尺寸和数量急剧减 少，析出强化效果减弱． 室温时，随着 Ni /Ti 值的增加，NiTiAlHf 合金的压缩屈服强度和显微硬度逐渐降低，塑性提高． 高温 下，当 Ni /Ti ＜ 1 时，Ti2Ni 相的析出强化起主要作用，合金的屈服强度随 Ni /Ti 值增加而降低; 当 Ni /Ti ＞ 1 时，Hf 固溶强化作用 的影响提高，并且 Ti2Ni 相趋于均匀弥散分布，使合金的屈服强度随 Ni /Ti 值增加而升高． 在化学计量比( Ni /Ti = 1) 两侧，合 金的屈服强度变化不对称． 关键词 金属间化合物; 镍合金; 钛合金; 铪; 微观组织; 力学性能 分类号 TG139 + . 6 Effect of Ni /Ti atom number ratio on the microstructure and mechanical prop￾erties of NiTiAlHf alloys SONG Xiao-yun1)  ，LI Yan2) ，ZHANG Fei 2) 1) State Key Laboratory for Fabrication ＆ Processing of Nonferrous Metals，General Research Institute for Nonferrous Metals，Beijing 100088，China 2) School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China  Corresponding author，E-mail: songxiaoyun82@ 126． com ABSTRACT Scanning electron microscopy ( SEM) and compressive tests at room temperature and elevated temperatures were used to investigate the effect of Ni /Ti atom number ratio on the microstructures and mechanical properties of Ni42 + x Ti50 － xAl4 Hf4 ( x = 0 － 7) alloys． It is found that Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4 alloys are composed of NiTi and Ti2Ni phases． The size and volume fraction of Ti2Ni phase decrease rapidly and the precipitation strengthening effect weakens with increasing Ni /Ti values． At room temperature when the Ni /Ti ratio increases，the compressive yield strength ( σ0. 2 ) and Vickers hardness ( Hv) of the alloys decrease，but the ductility increases． At elevated temperatures，for the alloys of Ni /Ti ＜ 1，the precipitation strengthening of Ti2Ni phase plays the major role，resulting in a decrease of σ0. 2 with increasing Ni /Ti values; but for the alloys of Ni /Ti ＞ 1，the solid solution strengthening effect of Hf improves，and the uniform distribution of Ti2Ni is more favorable for the strength，leading to the increase of σ0. 2 with increasing Ni /Ti values． The high-temperature yield strength is asymmetrical with a deviation from stoichiometry ( Ni /Ti = 1) ． KEY WORDS intermetallics; nickel alloys; titanium alloys; hafnium; microstructure; mechanical properties 收稿日期: 2012--04--05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51201016) 近年来，NiTiAl 基高温结构金属间化合物由于 具有密度低( 约 6 g·cm － 3 ) 、比强度高和抗氧化性能 优异等优点，在航空航天、汽车等领域有很大的应用 前景，受到广泛关注［1--2］． 研 究 发 现，近 等 原 子 比 NiTi合金中加入一定量的 Al 替代 Ni 或 Ti 后可显著 改变合金的组织结构，合金由单一的 NiTi ( B2) 相 转变为 B2 和 Ti2Ni ( 或 Ni2 TiAl) 的复合结构，从而 使合 金 的 室 温 和 高 温 强 度 大 幅 提 高［3--5］，其 中 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.12.007

第12期 宋晓云等：Ni/T原子数比值对NiTiAIHf合金微观组织和力学性能的影响 ·1401· Ni0Ti2A山合金在1000℃的压缩屈服强度与在该温 1实验方法 度区间使用的U500等高温合金相当).徐舰 等-刀研究发现，Nb是提高NiTiAl合金抗氧化性能 采用高纯的Ni、Ti、Al和Hf为原料，制备了 最有效元素，添加3%Nb(原子数分数，下同)可使 Ni42+Ti0-xAl,Hf4(x=0,1,2,4,5,6,7)合金，其 合金700℃时氧化性能达到完全抗氧化级，为NiTiAl 对应的Ni/Ti原子数比值为0.84~1.14.铸锭采用 基合金的高温应用奠定了基础.Mo网、Nb回、Zro 水冷铜坩埚非自耗真空电弧炉熔炼，反复熔炼四次 和Hr是典型的固溶强化元素，其添加起到固溶 以确保成分均匀.将合金铸锭封装在真空石英玻璃 管中，在900℃保温24h,进行均匀化处理以消除成 强化和促进Ti,Ni相析出强化的作用，使NiTiAl合 分偏析.用线切割方法切取微观组织分析和力学性 金室温和高温强度明显提高.Niso Ti2A山4Zr4合金 能测试样品.采用JSM-56O0HV/LV型扫描电子显 600℃的拉伸屈服强度为730MPa,明显优于 微镜(SEM)进行微观组织观察，并利用其附带的 Ti-48Al合金. Oxford Link ISIS6498型能谱议(EDS)进行成分分 对于金属间化合物，偏离化学计量比对其力学 析.室温和高温压缩实验在MTS880试验机上进 性能有显著影响，通常随着成分偏离化学计量成分， 行，采用中6mm×9mm圆柱试样，初始应变速率为 合金强度提高，如Ni-Al和Fe-Al合金，且强度提 3.7×10-4s1,试验温度为室温至800℃.显微维 高的程度随化合物而产生差异2-.对NTiA1基 式硬度测试采用MHX1000型显微硬度仪，加载载 金属间化合物的研究也发现，NiTiAl一Mo合金中，随 荷为0.98N,加载时间为15s,为了结果准确，每个 Ni/T原子数比值的增加，合金的高温屈服强度逐渐 样品测试五次并取平均值 降低的.因此，NiTiAl合金成分设计时需要考虑 2实验结果及讨论 Ni/Ti值的影响.本文在前期NiTiA一Hf合金的研 2.1微观组织 究基础上回，选择综合性能最佳的NiTiAl,H合金 采用扫描电镜观察Ni2+,Ti0-A山，HH,合金的微 为基，改变Ni和Ti的含量，研究Ni/Ti值对 观组织.图1是四种典型合金的微观组织照片，各 NiTiAlHf合金微观组织和力学性能的影响. 相成分的能谱分析结果如表1所示.从图1(a)可 COMP 15.WkV ×58810m012m C0NP15.0kWx58010n012m 图1Ni2.Tis0.,A山H出4合金微观组织的扫描电镜照片.(a)x=0:(b)x=2:(c)x=4:(d)x=7 Fig.1 SEM morphologies of Ni.Tiso.Al Hfa alloys:(a)x=0:(b)x=2;(c)x=4:(d)x=7

第 12 期 宋晓云等: Ni /Ti 原子数比值对 NiTiAlHf 合金微观组织和力学性能的影响 Ni50Ti42Al8合金在 1 000 ℃的压缩屈服强度与在该温 度区 间 使 用 的 U500 等高温合金相当［1］． 徐 舰 等［6--7］研究发现，Nb 是提高 NiTiAl 合金抗氧化性能 最有效元素，添加 3% Nb( 原子数分数，下同) 可使 合金 700 ℃时氧化性能达到完全抗氧化级，为 NiTiAl 基合金的高温应用奠定了基础． Mo ［8］、Nb ［9］、Zr ［10］ 和 Hf ［11］是典型的固溶强化元素，其添加起到固溶 强化和促进 Ti2Ni 相析出强化的作用，使 NiTiAl 合 金室温和高温强度明显提高． Ni50 Ti42 Al4 Zr4 合金 600 ℃ 的拉伸屈服强度为 730 MPa，明 显 优 于 Ti--48Al 合金． 对于金属间化合物，偏离化学计量比对其力学 性能有显著影响，通常随着成分偏离化学计量成分， 合金强度提高，如 Ni--Al 和 Fe-- Al 合金，且强度提 高的程度随化合物而产生差异［12--14］． 对 NiTiAl 基 金属间化合物的研究也发现，NiTiAl--Mo 合金中，随 Ni /Ti 原子数比值的增加，合金的高温屈服强度逐渐 降低［15］． 因此，NiTiAl 合金成分设计时需要考虑 Ni /Ti 值的影响． 本文在前期 NiTiAl-- Hf 合金的研 究基础上［9］，选择综合性能最佳的 NiTiAl4 Hf4 合金 为 基，改 变 Ni 和 Ti 的 含 量，研 究 Ni /Ti 值 对 NiTiAlHf合金微观组织和力学性能的影响． 图 1 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金微观组织的扫描电镜照片． ( a) x = 0; ( b) x = 2; ( c) x = 4; ( d) x = 7 Fig． 1 SEM morphologies of Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4 alloys: ( a) x = 0; ( b) x = 2; ( c) x = 4; ( d) x = 7 1 实验方法 采用高 纯 的 Ni、Ti、Al 和 Hf 为 原 料，制 备 了 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4 ( x = 0，1，2，4，5，6，7) 合金，其 对应的 Ni /Ti 原子数比值为 0. 84 ～ 1. 14． 铸锭采用 水冷铜坩埚非自耗真空电弧炉熔炼，反复熔炼四次 以确保成分均匀． 将合金铸锭封装在真空石英玻璃 管中，在 900 ℃ 保温 24 h，进行均匀化处理以消除成 分偏析． 用线切割方法切取微观组织分析和力学性 能测试样品． 采用 JSM--5600HV/LV 型扫描电子显 微镜( SEM) 进行微观组织观察，并利用其附带的 Oxford Link ISIS 6498 型能谱议( EDS) 进行成分分 析． 室温和高温压缩实验在 MTS880 试验机上进 行，采用 6 mm × 9 mm 圆柱试样，初始应变速率为 3. 7 × 10 － 4 s － 1 ，试验温度为室温至 800 ℃ ． 显微维 式硬度测试采用 MHX1000 型显微硬度仪，加载载 荷为 0. 98 N，加载时间为 15 s，为了结果准确，每个 样品测试五次并取平均值． 2 实验结果及讨论 2. 1 微观组织 采用扫描电镜观察 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金的微 观组织． 图 1 是四种典型合金的微观组织照片，各 相成分的能谱分析结果如表 1 所示． 从图 1( a) 可 ·1401·

·1402· 北京科技大学学报 第34卷 以看出，当Ni/Ti=0.84(Ni2TioA山，Hf)时，合金由 体积分数达到50%.随着Ni/Ti值的增加，黑色 灰色基体和黑色相两相组成，大块的黑色相连通在 Ti2Ni相的数量和尺寸明显降低.当Ni/Ti=1.14 一起.结合能谱分析及三元NiTiAl合金司研究结果 (Ni9Ti43AL,Hf,)时，黑色Ti2Ni相呈颗粒状或者短 可知，灰色基体为NTi相，黑色相为Ti,Ni相，A和 棒状，体积分数约为2%且基本呈均匀弥散分布，这 H全部固溶在两相中.该合金的相组成及形貌与 与Ni0TieA山，H氏，合金的分析结果相一致u. Ni2 TisoAl合金同类似，计算可知合金中Ti,Ni相的 表1Ni2+:T0-.A山，HH,合金各相成分的能谱分析结果 Table 1 Phase compositions in Nig.Tiso.,Al Hf alloys by EDS 成分（原子数分数）% 合金 Ni/Ti Ni 乐 Hf 基体 47.88 44.96 3.67 3.49 Nia Tiso Al,Hfa 0.84 TizNi 32.09 58.03 3.05 6.83 基体 48.86 43.77 3.72 3.65 Niaa Tias Ala Hfa 0.92 TizNi 32.64 57.31 3.19 6.86 基体 49.59 42.85 3.80 3.76 Niss Tias Al Hfa 1.00 TigNi 32.73 57.03 3.15 7.09 基体 49.88 42.56 3.69 3.87 Nig Ti4 Al,Hfa 1.14 TiNi 32.87 56.93 3.07 7.13 可见，Ni/Ti值增加，使NiTiAlHf合金中Ti2Ni 2400 相的尺寸和含量显著降低，分布趋向均匀弥散.这 2000 主要是因为，Ni一Al键比Ti一Al键成键强，而Hf则 与Ti同族，具有相似的物理化学特性，因此A1和Hf I200 原子进入NT晶格中，优先占据T原子的位 Ni TiAl Hf 置Bw,迫使Ti原子析出形成Ti,Ni相：而且，随Ni/ 800 ····NiIi4Al,Hf --NiTiAl Hf T值的增加，合金中多余的Ti含量越来越低，因此 ----NigTigAl Hf. T,Ni相的含量降低且尺寸明显减小. 510152025303540 应变% 2.2室温力学性能 图2Ni2,:Ti0.,AL4H4合金的室温压缩应力一应变曲线 图2是Ni2+Ti0-xAL,Hf合金的室温压缩应力 Fig.2 Compressive stress-strain curves for NiTisoAl Hfal- 应变曲线，压缩性能结果见表2，包括屈服强度 loys at room temperature (σo2)、断裂强度（σ）和压缩塑性变形量(sm). 可以看出，随N/Ti值增加，合金的室温压缩塑性明 表2Ni2:Tis-:A山4Hf合金的室温压缩力学性能和显微硬度 Table 2 Compressive mechanical properties and Vickers hardness of 显增加，σ。2略有降低.当Ni/Ti=0.84时，合金压 NiTisoAl Hf alloys at room temperature 缩后未屈服就断裂；而当Ni/Ti值提高到1.14时， 合金的压缩塑性变形量达到18%，oa2为1100MPa. 0a2/ 0/ Sm/ 合金 Ni/Ti Hv MPa MPa % 从表2的显微硬度(Hv)结果可以发现，随Ni/Ti值 Nis Tiso Ala Hfa 0.84 一 1870 一 595 增加，显微硬度逐渐降低，这与屈服强度变化规律相 Nia Tias Ala Hfa 0.92 12501810 6 542 一致.在NiTiAl基合金中，Ti,Ni相是一种硬而脆的 Ni6Ti46Al4H41.0012202000 9 516 相，其显微硬度约为基体的2倍网，是主要强化相 Nig Ti4gAl4H41.141100187018 480 结合微观组织结果可知，随着N/Ti值的增加，Ti,Ni 相的数量和尺寸减小，析出强化效果减弱，因此合金 2.3高温力学性能 的屈服强度和硬度降低；同时，Ti2Ni相的分布趋于 为了研究N/T值对合金高温力学性能的影 均匀弥散，对塑性有利，使合金的塑性提高. 响，测试了Ni2+:Ti0-xAL,H合金600~800℃的压

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 以看出，当 Ni /Ti = 0. 84 ( Ni42Ti50Al4Hf4 ) 时，合金由 灰色基体和黑色相两相组成，大块的黑色相连通在 一起． 结合能谱分析及三元 NiTiAl 合金［3］研究结果 可知，灰色基体为 NiTi 相，黑色相为 Ti2Ni 相，Al 和 Hf 全部固溶在两相中． 该合金的相组成及形貌与 Ni42Ti50Al8合金［3］类似，计算可知合金中 Ti2Ni 相的 体积分 数 达 到 50% ． 随 着 Ni /Ti 值 的 增 加，黑 色 Ti2Ni相的数量和尺寸明显降低． 当 Ni /Ti = 1. 14 ( Ni49Ti43Al4 Hf4 ) 时，黑色 Ti2 Ni 相呈颗粒状或者短 棒状，体积分数约为 2% 且基本呈均匀弥散分布，这 与 Ni50Ti42Al4Hf4合金的分析结果相一致［11］． 表 1 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金各相成分的能谱分析结果 Table 1 Phase compositions in Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4 alloys by EDS 合金 Ni /Ti 相 成分( 原子数分数) /% Ni Ti Al Hf Ni42 Ti50Al4Hf4 0. 84 基体 47. 88 44. 96 3. 67 3. 49 Ti2Ni 32. 09 58. 03 3. 05 6. 83 Ni44 Ti4 8Al4Hf4 0. 92 基体 48. 86 43. 77 3. 72 3. 65 Ti2Ni 32. 64 57. 31 3. 19 6. 86 Ni46 Ti46Al4Hf4 1. 00 基体 49. 59 42. 85 3. 80 3. 76 Ti2Ni 32. 73 57. 03 3. 15 7. 09 Ni49 Ti43Al4Hf4 1. 14 基体 49. 88 42. 56 3. 69 3. 87 Ti2Ni 32. 87 56. 93 3. 07 7. 13 可见，Ni /Ti 值增加，使 NiTiAlHf 合金中 Ti2 Ni 相的尺寸和含量显著降低，分布趋向均匀弥散． 这 主要是因为，Ni--Al 键比 Ti--Al 键成键强，而 Hf 则 与 Ti 同族，具有相似的物理化学特性，因此 Al 和 Hf 原子 进 入 NiTi 晶 格 中，优 先 占 据 Ti 原 子 的 位 置［3，11］，迫使 Ti 原子析出形成 Ti2Ni 相; 而且，随 Ni / Ti 值的增加，合金中多余的 Ti 含量越来越低，因此 Ti2Ni 相的含量降低且尺寸明显减小． 2. 2 室温力学性能 图 2 是 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金的室温压缩应力 应变 曲 线，压 缩 性 能 结 果 见 表 2，包 括 屈 服 强 度 ( σ0. 2 ) 、断裂强度( σb ) 和压缩塑性变形量( εmax ) ． 可以看出，随 Ni /Ti 值增加，合金的室温压缩塑性明 显增加，σ0. 2略有降低． 当 Ni /Ti = 0. 84 时，合金压 缩后未屈服就断裂; 而当 Ni /Ti 值提高到 1. 14 时， 合金的压缩塑性变形量达到 18% ，σ0. 2为 1 100 MPa． 从表 2 的显微硬度( Hv) 结果可以发现，随 Ni /Ti 值 增加，显微硬度逐渐降低，这与屈服强度变化规律相 一致． 在 NiTiAl 基合金中，Ti2Ni 相是一种硬而脆的 相，其显微硬度约为基体的 2 倍［8］，是主要强化相． 结合微观组织结果可知，随着 Ni /Ti 值的增加，Ti2Ni 相的数量和尺寸减小，析出强化效果减弱，因此合金 的屈服强度和硬度降低; 同时，Ti2Ni 相的分布趋于 均匀弥散，对塑性有利，使合金的塑性提高． 图 2 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金的室温压缩应力--应变曲线 Fig． 2 Compressive stress-strain curves for Ni42 + x Ti50 － x Al4 Hf4 al￾loys at room temperature 表 2 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金的室温压缩力学性能和显微硬度 Table 2 Compressive mechanical properties and Vickers hardness of Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4 alloys at room temperature 合金 Ni /Ti σ0. 2 / MPa σb / MPa εmax / % Hv Ni42 Ti50Al4Hf4 0. 84 — 1 870 — 595 Ni44 Ti48Al4Hf4 0. 92 1 250 1 810 6 542 Ni46 Ti46Al4Hf4 1. 00 1 220 2 000 9 516 Ni49 Ti43Al4Hf4 1. 14 1 100 1 870 18 480 2. 3 高温力学性能 为了研究 Ni /Ti 值对合金高温力学性能的影 响，测试了 Ni42 + xTi50 － xAl4 Hf4合金 600 ～ 800 ℃ 的压 ·1402·

第12期 宋晓云等：Ni/T原子数比值对NiTiAIHf合金微观组织和力学性能的影响 ·1403· 缩力学性能.图3是合金的高温压缩屈服强度随 图3可以看出，在化学计量比两侧，合金的强度变化 Ni/Ti值的变化曲线 不对称，这与NiAI合金的研究结果相类似.在B2 1000 60 结构NiAl合金中，富Ni一侧Ni原子部分占据Al TNm相Tiel 点阵位置形成反位缺陷，而在贫Ni一侧Ni原子点 体积分数 600℃50 2800 阵位置则形成缺陷，由于空位对位错具有更强的 650℃ 40英 赵 阻碍作用，导致在化学计量比两侧的强度不对称. 600 700℃ 但是，随着压缩温度升高，缺陷扩散速率提高，缺 陷强化作用减弱，导致合金的强度随温度升高明 800℃10 显降低 0 20 0.8 0.9 1.0 11 1.2 3结论 Ni/Ti值 图3Ni2,Ti0.:Al4Hf,合金高温压缩屈服强度和Ti2Ni相体积 (1)Ni42+.Tiso-.Al,Hf,(x=0~7)合金由NiTi 分数与Ni/T值的关系 基体和Ti2Ni相组成，随Ni/Ti值的增加，Ti,Ni相的 Fig.3 Relations of the compressive yield stress and the volume frac- 尺寸和数量急剧减少，分布趋向均匀弥散 tion of Ti Ni phase to Ni/Ti atom number ratio at elevated tempera- (2)随N/Ti值的增加，合金的室温压缩塑性 tures for Ni42 Tiso-Al Hfa alloys 明显提高，屈服强度和硬度降低，这主要是由于 从图3中可以看出，600~800℃压缩时，随Ni/ Ti,Ni相的析出强化作用减弱引起的. T值的增加，合金的高温屈服强度先降低后升高. (3)高温时，由于固溶强化、Ti,Ni相析出强化 例如，600℃时，在化学计量比(Ni/Ti=1)处屈服强 及缺陷强化的复合作用，导致随N/Ti值的增加，合 度最低，为625MPa;Ni/Ti=1.14时屈服强度最高， 金的屈服强度先降低后升高.在化学计量比 达到830MPa.并且，在化学计量比两侧，合金的屈 (Ni/Ti=1)两侧，合金的屈服强度变化不对称. 服强度变化不对称. 参考文献 前期研究表明，Hf添加到NiTiAl合金中起固溶 强化和促进Ti2Ni相析出的作用.因此，在 [1]Koizumi Y,Ro Y,Nakazawa S,et al.NiTi-base intermetallic al- loys strengthened by Al substitution.Mater Sci Eng A,1997,223 NiTiAlHf合金中，Ti,Ni相的析出强化、Hf的固溶强 (1/2):36 化以及偏离化学计量比引起的缺陷强化共同发生作 2] Warren P,Murakami Y,Koizumi Y,et al.Phase separation in 用.其中，析出强化的效果与强化相的含量和分布 NiTi-Ni2TiAl alloy system.Mater Sci Eng A.1997,223(1/2): 状态密切相关.采用定量分析软件计算了合金中 17 Ti,Ni相含量，结果如图3虚线所示.可以看出，随 B]Meng L J,Li Y,Zhao X 0,et al.The mechanical properties of Ni/T值的增加，Ti,Ni相含量逐渐降低，但不完全呈 intermetallic Niso.,Tiso Al,alloys (x=6,7,8,9).Intermetal- 1ics,2007,15(5/6):814 线性关系 [4]Jung J,Ghosh G,Olson G B.A comparative study of precipitation 当Ni/Ti<1时，Ti,Ni相含量较多，合金以析出 behavior of Heusler phase (Ni2TiAl)from B2-TiNi in Ni-Ti-Al 强化为主，因此屈服强度的变化趋势与Ti,Ni相含 and Ni-Ti-Al-X (X Hf,Pd,Pt,Zr)alloys.Acta Mater,2003, 量变化相一致，即随N/T值增加，屈服强度逐渐降 51(20):6341 低.当Ni/Ti>1时，Ti2Ni相体积分数低于10%然 5]Ru Z F,Song X Y,Li Y.Effect of solution and aging treatments 后迅速降至5%且变化不明显，因此析出强化的影 on the microstructure and mechanical properties of a Niso TiAl 响减弱：此时，H的固溶量增加，固溶强化作用增 alloy.JUnir Sci Technol Beijing,2012,34(Suppl 1):39 (茹志芳，宋晓云，李岩.固溶时效处理对Ni0Ti4Al合金微观 强，并且Ti2Ni相呈均匀弥散分布（如图1(d)所 组织和力学性能的影响.北京科技大学学报，2012,34（增刊 示)，对强度更有利，从而使合金的屈服强度随N/ 1):39 T值增加而提高. 6] Xu J,Zhao X Q,Gong S K,et al.Effect of Nb on the high tem- 此外，偏离化学计量比引起的缺陷强化也对强 perature oxidation behavior of TiNiAl alloys.Acta Metall Sin, 2006,42(8):820 度有显著影响.对于金属间化合物，化学计量比附 (徐舰，赵新青，宫声凯，等.Nb对于TiNiAl高温氧化行为的 近强度最低，随着化学计量比改变，引入了大量的结 影响.金属学报，2006,42(8)：820) 构点缺陷引起缺陷硬化作用，使得强度提高.因此， 7]Xu J,Zhao X Q,Gong S K.The influence of Nb diffusion on the NiTiAlHf合金在Ni/Ti=1处强度最低.此外，从 oxidation behavior of TiNiAlNb alloys with different Ti/Ni ratio

第 12 期 宋晓云等: Ni /Ti 原子数比值对 NiTiAlHf 合金微观组织和力学性能的影响 缩力学性能． 图 3 是合金的高温压缩屈服强度随 Ni /Ti 值的变化曲线． 图 3 Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4合金高温压缩屈服强度和 Ti2 Ni 相体积 分数与 Ni /Ti 值的关系 Fig． 3 Relations of the compressive yield stress and the volume frac￾tion of Ti2 Ni phase to Ni /Ti atom number ratio at elevated tempera￾tures for Ni42 + xTi50 － xAl4Hf4 alloys 从图 3 中可以看出，600 ～ 800 ℃ 压缩时，随 Ni / Ti 值的增加，合金的高温屈服强度先降低后升高． 例如，600 ℃时，在化学计量比( Ni /Ti = 1) 处屈服强 度最低，为 625 MPa; Ni /Ti = 1. 14 时屈服强度最高， 达到 830 MPa． 并且，在化学计量比两侧，合金的屈 服强度变化不对称． 前期研究表明，Hf 添加到 NiTiAl 合金中起固溶 强化 和 促 进 Ti2 Ni 相 析 出 的 作 用［11］． 因 此，在 NiTiAlHf合金中，Ti2 Ni 相的析出强化、Hf 的固溶强 化以及偏离化学计量比引起的缺陷强化共同发生作 用． 其中，析出强化的效果与强化相的含量和分布 状态密切相关． 采用定量分析软件计算了合金中 Ti2Ni 相含量，结果如图 3 虚线所示． 可以看出，随 Ni /Ti 值的增加，Ti2Ni 相含量逐渐降低，但不完全呈 线性关系． 当 Ni /Ti ＜ 1 时，Ti2Ni 相含量较多，合金以析出 强化为主，因此屈服强度的变化趋势与 Ti2 Ni 相含 量变化相一致，即随 Ni /Ti 值增加，屈服强度逐渐降 低． 当 Ni /Ti ＞ 1 时，Ti2Ni 相体积分数低于 10% 然 后迅速降至 5% 且变化不明显，因此析出强化的影 响减弱; 此时，Hf 的固溶量增加，固溶强化作用增 强，并且 Ti2 Ni 相呈均匀弥散分布( 如图 1 ( d) 所 示) ，对强度更有利，从而使合金的屈服强度随 Ni / Ti 值增加而提高． 此外，偏离化学计量比引起的缺陷强化也对强 度有显著影响． 对于金属间化合物，化学计量比附 近强度最低，随着化学计量比改变，引入了大量的结 构点缺陷引起缺陷硬化作用，使得强度提高． 因此， NiTiAlHf 合金在 Ni /Ti = 1 处 强 度 最 低． 此 外，从 图 3可以看出，在化学计量比两侧，合金的强度变化 不对称，这与 NiAl 合金的研究结果相类似． 在 B2 结构 NiAl 合金中，富 Ni 一侧 Ni 原子部分占据 Al 点阵位置形成反位缺陷，而在贫 Ni 一侧 Ni 原子点 阵位置则形成缺陷，由于空位对位错具有更强的 阻碍作用，导致在化学计量比两侧的强度不对称． 但是，随着压缩温度升高，缺陷扩散速率提高，缺 陷强化作用减弱，导致合金的强度随温度升高明 显降低［16］． 3 结论 ( 1) Ni42 + xTi50 － xAl4 Hf4 ( x = 0 ～ 7) 合金由 NiTi 基体和 Ti2Ni 相组成，随 Ni /Ti 值的增加，Ti2Ni 相的 尺寸和数量急剧减少，分布趋向均匀弥散． ( 2) 随 Ni /Ti 值的增加，合金的室温压缩塑性 明显 提 高，屈服强度和硬度降低，这 主 要 是 由 于 Ti2Ni相的析出强化作用减弱引起的． ( 3) 高温时，由于固溶强化、Ti2Ni 相析出强化 及缺陷强化的复合作用，导致随 Ni /Ti 值的增加，合 金的屈服强度先降低后升高． 在 化 学 计 量 比 ( Ni /Ti = 1) 两侧，合金的屈服强度变化不对称． 参 考 文 献 ［1］ Koizumi Y，Ro Y，Nakazawa S，et al． NiTi-base intermetallic al￾loys strengthened by Al substitution． Mater Sci Eng A，1997，223 ( 1 /2) : 36 ［2］ Warren P，Murakami Y，Koizumi Y，et al． Phase separation in NiTi-Ni2 TiAl alloy system． Mater Sci Eng A，1997，223( 1 /2) : 17 ［3］ Meng L J，Li Y，Zhao X Q，et al． The mechanical properties of intermetallic Ni50 － xTi50 Alx alloys ( x = 6，7，8，9) ． Intermetal￾lics，2007，15( 5 /6) : 814 ［4］ Jung J，Ghosh G，Olson G B． A comparative study of precipitation behavior of Heusler phase ( Ni2TiAl) from B2-TiNi in Ni-Ti-Al and Ni-Ti-Al-X ( X = Hf，Pd，Pt，Zr) alloys． Acta Mater，2003， 51( 20) : 6341 ［5］ Ru Z F，Song X Y，Li Y． Effect of solution and aging treatments on the microstructure and mechanical properties of a Ni50 Ti44 Al6 alloy． J Univ Sci Technol Beijing，2012，34( Suppl 1) : 39 ( 茹志芳，宋晓云，李岩． 固溶时效处理对 Ni50 Ti44Al6合金微观 组织和力学性能的影响． 北京科技大学学报，2012，34( 增刊 1) : 39 ［6］ Xu J，Zhao X Q，Gong S K，et al． Effect of Nb on the high tem￾perature oxidation behavior of TiNiAl alloys． Acta Metall Sin， 2006，42( 8) : 820 ( 徐舰，赵新青，宫声凯，等． Nb 对于 TiNiAl 高温氧化行为的 影响． 金属学报，2006，42( 8) : 820) ［7］ Xu J，Zhao X Q，Gong S K． The influence of Nb diffusion on the oxidation behavior of TiNiAlNb alloys with different Ti /Ni ratio． ·1403·

·1404· 北京科技大学学报 第34卷 Mater Sci Eng A,2007,458 (1/2)381 机理研究[学位论文].北京：北京航空航天大学，2011) 8]Song X Y,Li Y,Zhang F,et al.NiTiAl intermetallic alloys [12]Cohron J W,Lin Y,Zee R H,et al.Room-emperature mechan- strengthened by Mo replacement.Chin J Aeronaut,2010,23(6): ical behavior of FeAl:effects of stoichiometry,environment,and 715 boron addition.Acta Mater,1998,46(17):6245 9]Meng L J,Li Y,Zhao X Q,et al.Effect of Nb on the strengthe- [13]Munroe PR,Kong C H.The effect of ternary additions on vacan- ning mechanism of Ti-rich TiNiAl intermetallics.Acta Aeronaut As- cy hardening in near stoichiometric FeAl.Intermetallics,1996,4 tronaut Sin,2007,28(5):1206 (5):403 (孟令杰，李岩，赵新青，等.Nh对富钛TiNiAl金属间化合物 14]Jordan JL.Deevi C.Vacancy formation and effects in FeAl. 强化机制的影响.航空学报，2007,28(5)：1206) Intermetallics,2003,11(6):507 [10]Li Y,Yu K Y,Song X Y,et al.Effect of Zr addition on micro- [15]Song X Y,Li Y,Li SS.Effect of Ni/Ti ratio on the microstruc- structures and mechanical properties of Ni-46Ti-4Al alloy.Rare ture and mechanical properties of Mo-doped NiTiAl intermetal- Me,2011,30(5):522 1ics.1 t J Mod Phys B,2010,24(15/16):2694 1]Song X Y.Effect of Mo and Hf on Microstructures and Mechanical [16]Zhang Y G.Han Y F,Chen G L,et al.Structrural Intermetal- Beharior of NiTil Alloys [Dissertation].Beijing:Beihang Uni- lics.Beijing:National Defence Industry Press,2001 versity,2011 (张永刚，韩雅芳，陈国良，等.金属间化合物结构材料.北 (宋晓云.Mo和Hf对NiTiAl合金微观结构和力学行为影响 京：国防工业出版社，2001)

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