1.2合金元素对Ni3Al的影响

把Ni3Al金属间化合物和一些传统金属材料进行分析与对比，然后发现Ni3Al在高温性能，氧化和渗碳环境中具有不可估量的价值。Ni3Al的熔点约为1400℃，在熔点以下呈有序的L12型晶体结构如图（1-1）。Ni原子占据Ni3Al单胞的面心位置，而铝原子占据单胞的角顶位置，其点阵参数为0.3567nm。

图1-1 L12型超结构

在有序金属间化合物中，Ni3Al作为典型的存在,其晶体结构在低温下排列长程有序。在一定的温度范围内,Ni3Al具有反常特性，随着温度的升高屈服强度也升高,这种现象叫做屈服反常现象（如图1-2）。所以Ni3Al可以作为一种高温耐磨材料，比如成为发动机，内燃机里面零件的制造材料[8-11]。除此之外，Ni3Al合金还具有较好的抗腐蚀性能和高温抗氧化性[12-14]。Ni3Al合金有序的晶体结构,导致合金在室温下塑性差而且在高温时强度低，这限制了Ni3Al的使用。为了提高Ni3Al合金的强度和塑性，可以通过添加微量的合金元素 [15-19]。

图1-2 A（Cu3Au，Pd3Mn，Fe3Ga，Pt3Mn，Zr3Al,Ni3Al等），B（Pt3Al,Pt3Ga,Pt3In等），C（Fe3Ge,Ir3Cr,Rh3V等）

在合金中，可以通过添加微量的B来使晶界脆性降低，而在加入到Ni3Al中不仅可以降低晶界脆性，还可以增加Ni3Al合金的韧性[20-21]。和这次实验类似，这次实验通过添加Cr元素来使Ni3Al合金在600～800℃范围时的脆性降低。除了降低晶界脆性的效果之外，添加别的元素还可以提升力学性能和防腐蚀能力，比如Fe元素，稀土元素等。另外，除了Cr以外，Hf、Ti等元素也同样可以进行固溶强化[22]。

本文中主要研究Cr元素对Ni3Al的作用。第一，Cr可以对Ni3Al合金有固溶强化的作用。而且可以显著的增强合金的强度和韧性，相比之下，固溶强化的作用相对较小。另外,Cr会和材料表面发生氧化反应，然后形成氧化膜，氧化膜可以阻碍氧气和合金继续反应，从而提高合金的抗氧化性。氧的渗入会使合金的延伸率下降，所以合金在空气中的延伸率会比真空下的延伸率低，随温度上升还会降的更低，在60℃到80℃时会降到最低。研究发现虽然在Ni3Al中加入Cr可以降低合金的氧化速率，但是这只是在低温下有不错的效果。一旦温度超过1050℃时,合金表面的氧化膜就很容易破裂,抗氧化性反而会降低，甚至不如不含Cr的合金。

1.2.1对强度的影响

一般Ni3Al合金在常温下强度不是很高。但是Ni3Al合金作为具有L12结构的合金，会具有反常性能，比如塑性变形的能力会随温度的升高而提升。不光塑性是这样，流变应力也是如此，流变应力就是在特定温度，应力下的屈服极限 [23-25]。Ni3Al基高温合金主要有两个相,一个是固溶相γ，固溶相的特征是无序的面心立方相且具有A1结构，另一个是中间化合物γ′，它的特征是有序的面心立方相,具有L12结构[26]。一般来说，晶体结构长程有序的合金会有高的应变硬化速率，而晶体结构为无序或部分有序的合金可能相比会低一些。材料的高温抗拉强度和持久性能可以通过添加这类的元素来进行提升,而且W和Mo并不冲突，在加入W的时候同时也可以加入Mo，而且要比单独添加一种元素的强化效果好。加入W和Mo的缺点却是会使合金的塑性降低。相比于Zr，Hf元素可以进一步强化合金,同时对合金的塑性也有明显的提高,可以让合金在低温和高温下都保持一个比较低的塑形 [27]。J.Lapin研究了Ni-Al-Cr-Ta-Mo-Zr多相中间合金,发现室温拉伸屈服强度和极限拉伸强度增大,而断裂塑性延伸率降低[28]。

1.2.2对塑韧性的影响

虽然大部分的固溶强化元素都可以提高合金的性能，但是有一部分固溶强化元素却会使合金形成脆性相，降低合金的性能。这些固溶强化元素的含量越高,相对的形成脆性相就越大[29]。高温合金中加入一些微量元素，比如Mg、La，这些微量元素会聚在晶界，改变晶界的状态，还会改变晶界处的成分。这会使晶界处的颗粒变得细小，所以原本的沿晶断裂也会改变，变成穿晶断裂或者混合断裂。张迎九的研究发现[30],当在合金中加入适量的Li的时候， Ni3Al在室温下的塑性会有所提高,晶界处的断裂也会由原来的沿晶断裂变为混晶断裂。在合金中加入Li也会有一些性能并不会发生改变，比如合金的中温脆性和塑性 [31], B元素加入到Ni3Al合金中，会提高合金的塑性韧性，但是这只在含Ni比较多的Ni3Al合金中，一旦合金中Al的含量超过25%后提高就不明显了。郭建庭等通过实验证明了Zr元素对无硼Ni3Al的塑化作用，和B不一样的是，B会因为Ni3Al合金中Ni和Al的多少失去效果。而Zr却在Al或Ni含量较高的情况下，也能对合金有作用 [32]。