具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

一种低成本制备Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料的方法，包括：

步骤1，根据Ni-Si二元平衡相图，如图1所示，选择Ni-Si过共晶处(图中黑线)的成分比例进行Ni-Si配制(Ni-Si过共晶合金)，设计合金成分，过共晶型的复合材料能扩大组元成分范围，从而可降低昂贵的稀有金属Ni在Ni-Si二元合金中的占比，降低Ni-Si二元合金制备成本。

其中，Si使用的是纯度为99.999％的块状Si作为原料，Ni使用的是纯度为99.99％的Ni粒作为原料，并且，Ni的含量≤88％，Si的含量≥12％

步骤2，将配制完成的Ni、Si通过真空感应熔炼制备Ni-Si过共晶合金铸锭。

根据Ni-Si二元合金平衡相图，在共晶点附近凝固时会生成低密度、高强度、抗氧化的金属间化合物Ni₃Si，并且经过和Ni相复合发生共晶反应后使材料的断裂韧性和抗蠕变性能有所提高。从熔炼时的温度来看，金属Ni熔点较高而单质Si熔点低，而复合后共晶点处的温度为1143℃，低于金属Ni熔点，因而更有利于进行熔炼。综合考虑选用Ni-Si共晶点附近的合金成分进行熔炼。具体地，本步骤将Ni-Si二元合金在高纯Ar气氛的真空感应熔炼炉中1143℃熔炼制备Ni-Si过共晶合金铸锭。

上述形成Ni₃Si金属间化合物在冷却过程中会经历一个包析反应和一个共析反应。包析反应Ni+α→β-Ni₃Si是在初生相Ni₃Si与次生相α相接触的局部区域发生。共析反应Ni₃Si→β-Ni₃Si+γ的初生相Ni₃Si的生长形态基本上可以保持至室温。

同时，稀有金属Ni的价格昂贵，综合考虑选用Ni-Si共晶点附近的过共晶合金成分进行熔炼，得到金属间化合物Ni₃Si的同时，降低Ni在合金中的占比，降低材料制备成本。

步骤3，将Ni-Si过共晶合金铸锭进行布里奇曼定向凝固，在液固相变过程中发生过共晶反应，获得Ni-Si过共晶自生复合材料，Ni-Si过共晶自生复合材料组织由α-Ni基体相、Ni-Ni₃Si共晶相、Ni₃₁Si₁₂亚稳相组成，其中α-Ni基体相呈非小平面相，Ni₃₁Si₁₂亚稳相以及Ni-Ni₃Si共晶相呈小平面相，Ni₃Si相为Ni-Ni₃Si中增强相，其组织以板条状沿热流方向进行生长，为增强相，而亚稳相Ni₃₁Si₁₂由于非平衡凝固生成，主要以不规则的多边形形貌生长。

布里奇曼定向凝固工艺措施避免了侧向散热，在靠近固-液界面处的合金熔液中产生了较大的温度梯度，使熔液获得垂直于固-液界面的单一方向的热流，并且晶体生长前端方向的合金熔液中没有了稳定的结晶核心。所得到的布里其曼定向凝固后的Ni-Si过共晶复合材料的凝固组织是拥有规则排列，间距细密且均匀的层片状显微组织。

通过布里奇曼定向凝固制得的Ni-Si过共晶自生复合材料组织由于非平衡凝固生成了亚稳相Ni₃₁Si₁₂，使材料的硬度和脆性上升。

其中，布里奇曼定向凝固是在高温度梯度下进行的，温度梯度为150～200K/cm，定向凝固速率在0.1～900μm/s范围内可调，真空度为4.0×10^-2Pa，升降数据精度为±2μm/m，Ni-Si过共晶合金试样的升降数据精度为±2μm/s。

在本发明中，上述布里奇曼定向凝固是在凝固速率为6～40μm/s下进行。凝固速率为6～40μm/s时合金凝固组织为具有规则的层片状，凝固速率上升，过冷度增加，亚稳相含量增加。

通过布里奇曼定向凝固制备的Ni-Si过共晶自生复合材料，由于定向凝固的单向热流抑制了横向晶界的形成，从而提高了材料的抗疲劳和高温蠕变的能力。同时，延展性金属Ni的加入，使得Ni₃Si金属间化合物的脆性得以改善，从而使得改材料具有优良的高温综合力学性能。

步骤4，亚稳相Ni₃₁Si₁₂的存在使材料具有高的硬度和脆性，对Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料是不利的，经过合适的热处理使得亚稳相Ni₃₁Si₁₂消除，从而获得微观组织呈均匀层片状具有良好综合性能的Ni-Ni₃Si全片层的共晶组织，即Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料。

由于，当布里奇曼定向凝固速率增大时，布里奇曼定向凝固Ni-Si过共晶自生复合材料组织中亚稳相Ni₃₁Si₁₂的含量会随之增加，所以选择布里奇曼定向凝固凝固速率为40μm/s的Ni-Si过共晶自生复合材料进行热处理，使得亚稳相Ni₃₁Si₁₂消除，从而获得Ni-Ni₃Si全层片共晶组织，即Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料，对低凝固速率时该材料的热处理过程和亚稳相的消除具有指导意义。其中，热处理工艺在高温真空管式炉中进行，热处理工艺的温度范围为950℃～1050℃，进行保温，然后随炉冷却至室温。

金属材料的微观组织决定其力学性能，由于全层片组织能够产生较大的裂纹尖端应变，层片相界面两侧存在的不同晶体位向及晶体结构也能够阻碍解理裂纹跨越相界面，从而增大了抗裂纹扩展的能力，所以，层片状共晶组织高温抗蠕变性能、抗断裂性能以及室温塑性等高温力学性能较好。本发明中，Ni-Si过共晶自生复合材料的洛氏硬度为58.53～64.33HRC，维氏硬度为678.86～825.46HV，经过热处理消除亚稳相Ni₃₁Si₁₂后，布里奇曼定向凝固凝固速率为40μm/s的Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料的洛氏硬度为46.5HRC，维氏硬度为428HV。(可改为范围值)，可见，Ni-Ni₃Si过共晶自生复合材料经过合适的热处理后硬度显著下降，综合性能显著提升。

本发明的原理包括：在进行布里奇曼定向凝固时，由于凝固是在非平衡情况下进行的，非平衡凝固时，在一定的温度、压力、成分等状态下存在着Gibbs自由能比稳定相Ni₃Si更高的相Ni₃₁Si₁₂，那么在结构转变过程中必须存在一个推动力使原子达到激活态，原子一旦达到激活能垒，就必然可以达到能量较低的终态，此时亚稳相Ni₃₁Si₁₂转变成稳定的Ni₃Si相。所以，可以通过对定向凝固后的Ni-Si过共晶自生复合材料进行热处理使亚稳相Ni₃₁Si₁₂转变成稳定相Ni₃Si。通过合适的热处理工艺可以完全消除亚稳相Ni₃₁Si₁₂获得全层片共晶组织的Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料，以满足实际使用要求。合金成分的选择对最终凝固组织的化合物成分以及晶体形态有很大的影响，Ni-Si合金在室温下存在多种化合物形态，在共晶点附近凝固时会生成低密度、高强度、抗氧化的金属间化合物Ni₃Si，根据Ni-Si二元合金平衡相图，扩大组元成分范围，降低Ni的占比，配制Ni-Si过共晶合金，从而降低材料制备成本。

图2为Ni-Si共晶合金的真空感应熔炼形貌图，图3为布里奇曼定向凝固Ni-Si共晶自生复合材料组织形貌图，通过图2可以看出，未经过定向凝固的Ni-Si二元共晶合金组织为不规则排列的树枝晶状组织，且组织粗大。这是由于在真空感应熔炼时Ni-Si共晶合金溶液沿着各个方向的散热几乎相同，晶体沿着各个方向自由生长，呈现出树枝晶组织，并且在真空熔炼过程中，合金晶体没有得到较高的温度梯度，这样就给了晶体足够的长大时间，使得组织较为粗大。图3中为定向凝固后的Ni-Si共晶合金组织，可以明显的看出，经过定向凝固后的Ni-Si共晶合金试样组织拥有规则排列，间距细密且均匀的层片状显微组织。这是由于定向凝固工艺措施避免了侧向散热，在靠近固-液界面处的合金溶液中产生了较大的温度梯度，这样就使溶液获得垂直于固-液界面单一方向的热流，并且晶体长前端方向的合金溶液中没有了稳定的结晶核心。

本发明采用布里奇曼定向凝固凝固速率为6～40μm/s，当凝固速率为6～40μm/s时，所制备的材料组织具有规则的层片结构，如图4和图5中(a)、(b)、(c)、(d)所示。组织由α-Ni相、共晶相Ni-Ni₃Si相和亚稳相Ni₃₁Si₁₂组成。共晶组织中α-Ni相与Ni₃Si成层片状交替生长。当共晶结晶时，α-Ni相与Ni₃Si相两相并排长大，且其生长方向与固-液界面保持宏观上的平界面。具有层片状Ni-Ni₃Si共晶组织的Ni-Ni₃Si自生复合材料具有优良的高温抗蠕变能力、抗断裂性能和室温塑性。

根据图6所示的布里奇曼定向凝固设备来执行布里奇曼定向凝固技术，通过布里奇曼定向凝固获得Ni-Si过共晶自生复合材料。该设备主要由PCL控制中心、抽真空装置系统、加热控制系统、抽拉装置等部分组成，在加热炉外布设带有进水口19和出水口12的循环冷却水管路，加热控制系统主要包括设置在加热炉壁的隔热衬套14和发热棒13，抽拉装置主要包括从加热炉底部深入炉内的抽拉杆17，抽拉杆17顶端连接用于放置试棒15的刚玉管，抽拉杆17外设置液态金属16作为金属冷却液，液态金属16为Ga-1n-Sn合金，该合金熔点低，室温下表现为液态，冷却能力优良且对冷却体无污染，交流电机18的输出连接抽拉杆17控制其抽拉动作。

结合图7定向凝固原理示意图，该设备工作过程：

试棒15选用Ni-Si二元合金毛坯棒，装入刚玉管中，刚玉管固定在突出液态金属16液面1cm的抽拉杆17上，为了保证恒定的温度梯度，用隔热板23将冷却区(液态金属16)与加热区(加热炉内)上下隔开，其中隔热板23选用高纯的氧化铝免烧砖制成，加热炉内可设置高纯较厚的石墨套21套在刚玉管外，与隔热衬套14共同起到加热保温的作用，同时石墨套21还能降低外加场对合金熔体定向生长产生的电磁扰动影响。打扫干净炉体后将其密封，进行抽真空，抽到指定真空度时充入氩气，打开循环冷却水确保实验设备的正常运转，打开加热电源，逐级调节输入功率，使合金逐渐熔化，将温度调到1600℃后保温一段时间待合金全部熔化后在PCL控制系统中设定抽拉速率(6～40μm/s)和行程进行抽拉。当抽拉到指定行程后，按停止按钮停止抽拉，关闭加热电源待试样冷却至室温后打开炉门取出试样。

其中，刚玉管中的熔融的合金液26向下移动时进入液态金属16中开始结晶，晶体随刚玉管的下降沿着热流的反方向逐渐长大，实现定向凝固。其中24为定向凝固后的Ni-Si过共晶复合材料，25为未熔化的铸态合金22为感应线圈，作为加热设备，用于融化刚玉管内的Ni-Si铸态合金。当感应线圈22中通过一定频率的交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场，金属工件放入感应线圈内，在磁场作用下，工件内就会产生与感应线圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称为涡流此涡流将电能变成热能，将工件迅速加热并熔化。

利用该设备进行布里奇曼定向凝固的工艺参数如下：

熔炼温度1580～1680℃，温度梯度为150～200K/cm，定向凝固速率可在0.1～900μm/s范围内调节，最高真空度为6.2×10^-4Pa～4.0×10^-2Pa，试样的升降数据精度为±2μm/m。

以下是布里奇曼定向凝固制备层片状组织Ni-Si过共晶自生复合材料的操作实例：

将刚玉管固定于抽拉杆上，然后将线切割的试棒放入其中，保证刚玉管与试棒位于石墨套中心位置。依次打开机械泵与分子泵抽真空，至真空度为4.0×10-²Pa时逐级调节加热功率依次为2.5Kw、5Kw和7Kw，在加热期间复合真空计数值降为0时依次关闭分子泵和机械泵，加热20min后按照设置的抽拉速率与抽拉行程(抽拉速率是试样向下运动进入冷却液中的速率，如6μm/s抽拉行程指的是向下运动的距离)进行抽拉。抽拉速率为6～40μm/s抽拉结束后关闭加热电源，30min后可关闭循环水随炉冷却，90min后待定向凝固试样完全冷却，可以从炉子中取出。

如图4和图5中(a)、(b)、(c)、(d)所示为通过布里奇曼定向凝固，凝固速率分别为6μm/s、9μm/s、25μm/s、40μm/s时的Ni-Si过共晶自生复合材料组织横截面和纵截面形貌图，由图中可以看出凝固组织由α-Ni相、Ni-Ni₃Si共晶相、亚稳相Ni₃₁Si₁₂相组成。

亚稳相Ni₃₁Si₁₂是复杂六方结构，该亚稳相的存在使材料的脆性增大，严重影响材料的使用性能，本发明通过高温管式加热炉在950～1050℃温度范围内对定向凝固凝固速率为40μm/s的Ni-Si过共晶自生复合材料进行热处理，并保温合适的时间，可以使亚稳相Ni₃₁Si₁₂完全消除。

根据图8所示的高温真空管式炉设备来执行热处理工艺，该设备炉体1，炉体1中设有炉管2，炉管2两端均延伸出翻盖式炉体1外，炉管2中设有储样板，储样板上设有坩埚放置孔，炉管两端开口处均放置有挡火砖7，翻盖式炉体1内，并且与炉管2外壁相对应的位置设置有电阻丝3，炉管2的一端连接有进气金属管9，炉管2的另一端连接有出气金属管10，进气金属管9上设有气动调节阀11，进气金属管9和出气金属管10分别通过法兰14和法兰15与炉管2相互连接。

结合图8高温真空管式炉示意图，该设备工作过程：

设计升降温度曲线，升温速率不超过10℃/min，降温速率低于15℃/min。清扫环境，检查机械泵油线处于标线以上，拆除炉管2两端盖，用吸尘器清洁炉管2内部。将样品放置在炉管2中储样板上的坩埚内，将储样板推至炉管2中部，装上炉管2两端盖，确认密封垫落入槽中。接通Ar气气路，将管式炉气体出口端10连接，打开管式炉进气阀，合上真空泵电源，打开出气阀，抽空炉管2和气体管路。当真空表指针到尽头时，关闭出气阀，关闭进气阀。逆时针旋动旋钮开气瓶主阀，顺时针旋动旋钮，缓慢打开出口减压阀，使出口气压在2小格。逆时针旋动旋钮，缓慢打开管式炉进气阀，密切注意管式炉气压表，确认气压在以下。管式炉气压表当气压稳定时，关闭管式炉进气阀，打开出气阀，抽真空到，关管式炉出气阀。重复4、5步两次，关机械泵，打开管式炉进气阀。打开管式炉总电源，开面板电源，启动面板，使仪表处于初始状态，设置加热温度和保温时间，启动加热电源，观察电流表、电压表。观察压力表，如果压力过高需要打开出口阀放气。程序运行完成后，主加热电源自动停止，仪表处于初始状态。按关闭，使主继电器断开。待温度降至100℃以下，关闭Lock切断面板控制电源。顺时针旋动旋钮关气瓶总阀，逆时针旋动旋钮关气瓶出口减压阀，顺时针旋动关管式炉进气阀，关闭管式炉出气阀，关闭管式炉总电源。打开管式炉端盖，取出两块隔热炉塞7，再取出储样板。

经过上述热处理过程后得到如图9所示组织完全为均匀层片状的Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料，使材料具有优良的高温抗蠕变性能、抗断裂性能，以及较好的室温塑性。

一种低成本制备Ni-Ni₃Si共晶自生复合材料的方法，通过合金成分设计，节约稀有金属Ni的用量，使材料的制备成本下降，采用布里奇曼定向凝固技术制备Ni-Si过共晶自生复合材料，通过合适的热处理工艺获得可以满足服役要求，全层片组织的Ni-Ni₃Si自生复合材料。

以上仅为本发明的一种材料实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明采取任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。