金属间化合物NiAl 具有熔点高、 导热性能好、抗氧化性能好、密度低等优点，是替代镍基高温合金用于涡轮叶片的理想材料。 然而，NiAl 合金室温断裂韧性低(4～6 MPa
)、高温强度低(1 000 ℃时20～60 MPa)等缺点限制了它的应用[1-3]。 Chen 等[4]和Misra 等[5]认为引入难熔Cr(Mo)相，形成NiAl-Cr(Mo) 原位共晶复合材料， 可以提高室温断裂韧性(21.6 MPa
和高温强度，即NiAl-Cr(Mo)共晶合金具有较好的综合性能。 然而，对于先进的飞机发动机，较高的高温强度仍然是必须的。 合金化是进一步提高高温强度的好方法， 特别是添加Hf 元素的效果较好， 但是由于Hf 固溶或Heusler 相(Ni2AlHf)沿NiAl/Cr(Mo)界面分布，Hf 的加入会降低断裂韧性(6.24±0.3 MPa
)。 已有研究报道，Fe 的加入可以提高NiAl 的延展性[8-9]，从而提高断裂韧性。 此外，最近的调查表明，添加4.0%Fe 提高了NiAl-Cr(Mo)-Hf 基共晶合金的断裂韧性[10]。 同时， 铁加入后导致的固溶强化是提高高温强度的有效途径。NiAl-Cr(Mo)-(Hf,Dy)-4Fe 共晶合金组织的高温稳定性变差， 即1 250 ℃热处理后，NiAl 和Cr(Mo)相变粗，Cr(Mo)相[10]发生局部溶解。 但NiAl-Cr(Mo)-(Hf,Dy)-4Fe 共晶合金组织高温稳定性较差的原因是否与Fe 的加入或其他因素有关尚不明确。因此，本文试图对NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金组织的高温稳定性进行研究， 以明确高温稳定性的影响因素。
1 实验材料及方法
所研究的材料名义成分分别为Ni-33Al-28Cr-6Mo和Ni-31Al-28Cr-6Mo-4Fe(简称NiAl-Cr (Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe，at.%)。 采用真空非自耗电弧熔炼炉制备纽扣锭。每个合金锭翻转熔化5 次，确保均匀性。通过电火花线切割合金锭，为后期热处理准备样品。 部分样品分别在1 100 ℃/12 h/炉冷(HT-1)、1 200 ℃/12 h/ 炉冷(HT-2)和1 200 ℃/36 h/ 炉冷(HT-3)条件下进行热处理。 轻度腐蚀液为80%HCl+20%HNO3溶液(体积比)，深度腐蚀液为100 mL H2O+20 mL HCl+5 g CrO3 溶液(目的是去除NiAl 基质)。 用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察其微观结构，用SEM-EDS 分析其组成相。
2 结果与讨论
2.1 实验结果
为了阐明NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金的微观结构的高温稳定性, 通过改变热处理温度(1 100 ℃和1 200 ℃)和时间(12 h 和36 h)来实现。图1 为铸态NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金的OM 和SEM 显微组织图， 显微组织由NiAl 和Cr(Mo)层片组成的共晶枝晶组成，如图1(a和c)所示。 而且，从图1(b)中还能观察到，共晶片层组织中还存在片层终端、失配等生长缺陷。 此外，从图1 看出，Fe 的添加对铸态NiAl-Cr(Mo)共晶合金的组织没有显著影响。
图1 铸态共晶合金的微观组织
Fig.1 Microstructure of cast eutectic alloys
图2为NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金在1 100 ℃/12 h(HT-1)下经轻度腐蚀处理后的显微组织。 如图2(a)所示，共晶枝晶中心有一些间隔；图2(b)为共晶枝晶中心的放大图像。 结果表明，共晶枝晶中心Cr(Mo)片层被随机夹断，间隔长度在0.5～1.0 μm 内；从图2(b 和d)还看出，热处理后的生长缺陷(尤其是片层失配)减少，表明组织的不稳定性通常发生在生长缺陷处。 此外，随着Fe 的加入，间隔的数量和长度都有一定程度的增加， 如图2(d)所示，间隔的长度在0.5～1.5 μm，即Fe 的加入在一定程度上促进了组织的恶化。
图2 1 100 ℃/12 h(HT-1)热处理合金的显微组织
Fig.2 Microstructure of 1 100 ℃/12 h(HT-1)heat-treated alloys
图3 为NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金在1 200 ℃/12 h(HT-2)下的热处理组织。可见，在1 200 ℃时，组织的不稳定程度增大，且NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金中的间隔数量相对多于NiAl-Cr(Mo)共晶合金，如图3(a、c)所示。 从图3(b、d)看出，NiAl-Cr(Mo)共晶合金(1.0～3.0 μm)的间隔长度比NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金(1.5～3.5 μm)的间隔长度要短。当热处理时间在1 200 ℃下延长到36 h 时，发现间隔长度进一步增加， 见图4。 即随着时间的延长，组织的高温稳定性变差。 同时，Fe 的加入也导致了间隔长度的增加，从而降低了组织的高温稳定性。
图3 1 200 ℃/12 h(HT-2)热处理合金的显微组织
Fig.3 Microstructure of 1 200 ℃/12 h(HT-2)heat treated alloys
图4 1 200 ℃/36 h(HT-3)热处理合金的显微组织
Fig.4 Microstructure of 1 200 ℃/36 h(HT-3)heat-treated alloys
同时， 我们对NiAl-Cr(Mo)-4Fe合金进行1200℃/36 h(HT-3)深度腐蚀。 结果表明，Cr(Mo)片层没有完全被夹断，见图5(a)。从图5(b)放大图像中观察到深层Cr(Mo)片层与浅层Cr(Mo)片层相连，即Cr(Mo)片层没有完全被夹断，Cr(Mo)片层只发生了局部溶解，这也纠正了轻度腐蚀得到的Cr(Mo)片层完全被夹断的假象(见图2～图4)。
图5 深度腐蚀NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金在1 200 ℃/36 h(HT-3)下的显微组织
Fig.5 Microstructure of deeply corroded NiAl-Cr(Mo)-4Fe eutectic alloys at 1 200 ℃/36 h(HT-3)
NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金热处理前后NiAl 和Cr(Mo)相成分见表1。 结果表明，Fe 在NiAl 相和Cr(Mo)相中均有较高的溶解度，且Fe 在Cr(Mo)中的溶解度高于NiAl 相。 热处理后，NiAl 中Cr 的浓度明显降低，而NiAl 和Cr(Mo)相中Fe 的浓度轻微降低。 由于Cr 和Fe 是典型的固溶强化元素，这可能对材料的力学性能产生潜在的影响。
表1 NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金热处理前后NiAl 和Cr(Mo)相组成
Tab.1 NiAl-Cr(Mo) and NiAl-Cr(Mo)-4Fe eutectic alloys are composed of NiAl and Cr(Mo) phases before and after heat treatment
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2.2 讨论
对于NiAl-Cr(Mo)共晶合金，当层间距>1.0 μm时，NiAl 和Cr(Mo)层片在1 027 ～1 100 ℃内保持稳定[4,6,11]，即使在1 300 ℃以上的热处理组织仍保持稳定[12-13]。 而在1 100 ℃时，当层间距<1.0 μm时，NiAl-Cr(Mo)共晶合金的组织变得不稳定。 这表明层片间距对高温稳定性有显著影响。 较小的片层间距导致原子扩散距离的减小，从而导致微观结构的不稳定性。 Sheng 等[14]和Li 等[15]也认为NiAl 和Cr(Mo)相的粗化发生在热处理之后，这是由于在之前的研究(快速凝固)中存在极细的片层间距。
微观组织的不稳定性表现为Cr(Mo)片层被夹断，相应的Cr(Mo)片层中存在一定的间隔(见图2～图4)。 对于NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金，不同温度和时间下的间隔长度范围如图6 所示。随着温度和时间的增加，间隔长度增加，而Fe 的加入也导致间隔长度的微弱增加， 使组织的高温稳定性随着温度和时间的增加或Fe 的加入而变差。
图6 NiAl-Cr(Mo)和NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金在不同温度和时间下的间隔长度
Fig.6 Interval lengths of NiAl-Cr(Mo)and NiAl-Cr(Mo)-4Fe eutectic alloys at different temperatures and times
不难理解，随着温度和时间的增加，由于原子扩散更充分，微观结构的恶化更加明显。 对于Fe 的作用，从NiAl-Fe[16]和Cr-Fe[17]相图看出，Fe 的加入降低了NiAl 和α-Cr 相的熔点。 考虑到当添加第3种元素时，会降低合金的熔点且扩散系数增大[18]，Fe的加入增加了NiAl 相和Cr(Mo)相的扩散系数，使NiAl 和Cr(Mo)相在1 100 ℃以上不稳定。
因此， 无论是层片间距还是添加4.0% Fe 对NiAl-Cr(Mo)共晶合金的高温稳定性有一定的潜在影响，表明NiAl-Cr(Mo)-4Fe 共晶合金组织的高温稳定性较差，这不仅与Fe 的加入有关，还与较细的层片间距有关。 在目前的研究中，我们只能定性地确定片层间距对高温稳定性存在潜在的影响，因为很难通过电弧熔炼方法控制层片间距。 针对层片间距的具体影响，可以通过定向凝固连续控制片层间距， 以确定超过临界层片间距后组织的高温稳定性较好。
3 结论
NiAl-Cr(Mo)共晶合金组织在1 100 ℃时，层状结构变得不稳定，Cr(Mo)相局部溶解，这与之前研究的层状结构在1 100 ℃甚至更高的温度下仍保持稳定不同。 这可能是由于层片间距的不同。 随着温度和时间的增加，显微组织的高温稳定性变差。 更重要的是， 添加4.0%Fe 稍微加剧了这种组织的不稳定性。 对于层片间距的影响，后期可通过定向凝固的方法制备连续变化的层片间距的合金进行高温稳定性研究。
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