金属间化合物Ni3Si以高强度、抗高温耐氧化腐蚀以及异常的R效应等优异性能,在高温结构材料中脱颖而出。然而Ni3Si材料低的延展性、低的断裂韧性、及较差的抗高温抗蠕变性能,大大限制了其作为结构材料在实际中的应用。本文通过共晶反应使Ni3Si金属间化合物与延展性金属Ni在液固相变时结合,从而改善了材料的综合力学性能。本文采用Bridgman定向凝固技术制备了不同凝固速率下的Ni-Ni3Si共晶和Ni-Ni3Si亚共晶复合材料,借助金相、扫描电镜、高分辨透射电镜、拉伸和疲劳试验机等分析测试方式,研究了Ni-Si共晶(亚共晶)定向凝固组织形貌、相组成和Ni-Ni3Si共晶凝固界面演化规律、各相的位相关系以及材料的力学性能等。首先研究了Ni-Ni3Si共晶的凝固组织特征,当凝固速率V=6.0~40.0μm/s时凝固组织是规则的层片状共晶组织,层片间距随凝固速率先减小后增大;共晶组织由固溶体α-Ni、β1-Ni3Si和亚稳相Ni31Si12组成;当过冷度在最小过冷度的极限值外时Ni-Ni3Si共晶的层片组织处于不稳定状态,将发生层片调整;随着凝固速率的增大,过冷度增大,固液凝固界面由平界面向带有尖端的胞状界面过渡;Ni-Ni3Si共晶体的位向关系为(11—1—Ni//(1—11)Ni3Si且[1 1 0]Ni//[2 1 1]Ni3Si,相界面为半共格界面。其次研究了Ni-Ni3Si亚共晶的凝固组织特征和晶体生长机理。Ni-Ni3Si亚共晶在过冷条件下生成伪共晶组织;亚共晶组织由固溶体α-Ni、β1-Ni3Si组成,并根据“成分过冷”判据,评估了固液界面前沿的“成分过冷”的大小,理论计算与实验结果基本吻合。此外,根据BH模型计算和比较了α-Ni相的界面生长温度和共晶界面生长温度,证明较高速定向凝固下不太可能制备出全耦合生长的共晶组织。随凝固速率的增大,一次枝晶间距减小,组织细化。最后研究了Ni-Ni3Si共晶材料的力学性能。Ni-Ni3Si共晶中随着凝固速率的增大,组织细化,与此同时亚稳的Ni31Si12相含量也增多,使材料的显微硬度先减小后增大;拉伸曲线表现出脆性材料的特征;四点弯曲疲劳实验表明材料疲劳极限值为520MPa,裂纹从Ni-Ni3Si共晶相开始萌生,Ni基体相为解理断裂,这主要是基体Ni中固溶了Si所造成的。