本文關(guān)鍵詞： Nb-Si基超高溫合金 合金化 組織 抗氧化性能 室溫?cái)嗔秧g性 硬度 高溫壓縮 硅化物 鈮基固溶體　出處：《西北工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：航空技術(shù)的發(fā)展要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推重比,也即要求其渦輪葉片材料能承受更高的溫度和擁有更優(yōu)異的力學(xué)及抗腐蝕性能。由于Nb-Si基超高溫合金具有高熔點(diǎn)、低密度及較好的室溫、高溫力學(xué)性能等特點(diǎn),有望成為下一代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫結(jié)構(gòu)材料。然而,其較差的抗氧化性能限制了這些合金在航空等領(lǐng)域的應(yīng)用。合金化是提高Nb-Si基超高溫合金的綜合性能、尤其是高溫抗氧化性能的重要手段。近年來,有關(guān)Hf、B和Cr合金化的研究已有大量報(bào)道,但主要集中在三元或四元等簡(jiǎn)單的Nb-Si基體系中,且對(duì)元素之間的復(fù)合作用及成分優(yōu)化等方面的研究尚存不足。從優(yōu)化合金綜合性能出發(fā),系統(tǒng)研究Hf、B和Cr合金化特別是其復(fù)合作用對(duì)于開發(fā)新型Nb-Si基超高溫合金并盡早實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用具有十分重要的意義。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:采用真空非自耗電弧熔煉法制備了十五種多元Nb-Si基超高溫合金,其名義成分為 Nb-22Ti-16Si-3Al-xHf-.yB-zCr(at.%),在 1450℃保溫 50 h 對(duì)合金進(jìn)行均勻化處理,研究Hf、B和Cr合金化及其復(fù)合作用對(duì)Nb-Si基超高溫合金相選擇、相穩(wěn)定、相轉(zhuǎn)變、非平衡及平衡組織的影響。結(jié)果表明:B或Cr均能促進(jìn)過共晶組織的形成,而Hf對(duì)合金的共晶點(diǎn)幾乎沒有影響。單獨(dú)添加Hf或B將完全抑制β(Nb,X)5Si3("X"代表Ti,Hf和Cr等元素)的形成并促進(jìn)α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3的形成,同時(shí)添加Hf和B則會(huì)極大地促進(jìn)γ(Nb,X)5Si3的形成。添加Cr對(duì)5-3型硅化物的晶型沒有影響。同時(shí)添加Hf和Cr將促進(jìn)含Cr2(Nb,X)三相共晶組織的形成。經(jīng)1450℃/50 h熱處理后,在不含Hf和B的合金中β(Nb,X)5Si3完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Nb,X)5Si3,而在只含Hf的合金中也發(fā)生了 α(Nb,X)5Si3向γ(Nb,X)5Si3的轉(zhuǎn)變。在不含Hf和B的合金中為Nbss和α(Nb,X)5Si3兩相平衡,在只含Hf或B的合金中為Nbss、α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3三相平衡,而在同時(shí)含Hf和B的合金中則為Nbss和γ(Nb,X)5Si3兩相平衡。此外,在B存在的情況下,較低的Ti或(Ti + Hf)含量也可穩(wěn)定y(Nb,X)5Si3。隨著合金中Hf含量的增加,初生硅化物的含量沒有明顯變化。當(dāng)Hf含量較低時(shí)(2at.%),合金中的硅化物為α(Nb,X)5Si3和γ(Nb.X)5Si3,而當(dāng)Hf含量增加至4和8 at.%時(shí),則僅為γ(Nb,X)5Si3。增加B含量至5和10 at.%不僅進(jìn)一步促進(jìn)了 γ(Nb,X)5Si3的形成,還促進(jìn)了(Nb,X)3Si的形成,且初生硅化物及含Cr2(Nb,X)三相共晶的含量均隨合金中B含量的增加而增加。含5和10 at.%B的合金在熱處理過程中還會(huì)發(fā)生(Nb,X)3Si → Nbss + γ(Nb,X)5Si3共析轉(zhuǎn)變。添加高含量的Cr(10at.%)仍然不會(huì)影響5-3型硅化物的晶型(其僅為y(Nb,X)5Si3),但卻會(huì)明顯促進(jìn)含Cr2(Nb,X)三相共晶的形成,且初生硅化物的含量隨合金中Cr含量的增加而增加。熱處理后,在Cr含量較低(小于5 at.%)的合金中不再觀察到Cr2(Nb,X)相,而在Cr含量較高(10 at.%)的合金中則出現(xiàn)了 Nbss、γ(Nb,X)5Si3和Cr2(Nb,X)的三相平衡組織。對(duì)十五種電弧熔煉態(tài)合金在1250℃靜態(tài)空氣中進(jìn)行了 1或50 h的氧化,以研究Hf、B和Cr合金化及其復(fù)合作用對(duì)Nb-Si基超高溫合金高溫抗氧化性能的影響。結(jié)果表明:在1250℃氧化1或50 h后,所有合金的氧化膜均發(fā)生脫落。氧化膜存在明顯的分層結(jié)構(gòu)(即外層和內(nèi)層),且在合金表面還可觀察到內(nèi)氧化區(qū)。氧化膜外層主要由TiNb207、(Ti,X)02和無定形硅酸鹽顆粒構(gòu)成,內(nèi)層主要由Ti2Nb10029、Ti02、Nb205、Hf02、無定形硅酸鹽及未被氧化的硅化物構(gòu)成,而內(nèi)氧化區(qū)中的氧化物則主要為T1O2和HfO2。未添加Hf、B和Cr的合金的抗氧化性能最差,單獨(dú)添加Hf可輕微改善合金的抗氧化性能(基于活性元素的動(dòng)態(tài)偏聚理論)。添加B或Cr可以通過增加硅化物的含量、提高氧化膜的致密性、降低氧化膜內(nèi)層的厚度及其所占的比例以及促進(jìn)內(nèi)氧化區(qū)中Ti的選擇性氧化等方式改善合金的抗氧化性能,添加Cr還會(huì)明顯促進(jìn)氧化膜中(Ti,X)02的形成。同時(shí)添加B和Cr的合金比單獨(dú)添加B或Cr的合金具有更好的抗氧化性能,且增加B或Cr含量會(huì)進(jìn)一步提高合金的抗氧化性能。在B或Cr存在的情況下,添加Hf會(huì)降低氧化膜的致密性并增加其脆性,同時(shí)還將增加氧化膜內(nèi)層的厚度及其所占的比例,抑制內(nèi)氧化區(qū)中Ti的選擇性氧化并促進(jìn)Hf02的形成,從而使合金的抗氧化性能明顯降低。而在B和Cr同時(shí)存在的情況下,添加少量的Hf(2 at.%)可輕微改善合金的抗氧化性能,而隨著合金中Hf含量的增加(特別是增加至8 at.%時(shí)),合金的內(nèi)氧化明顯加劇,從而使其抗氧化性能又有所下降。對(duì)十五種合金在電弧熔煉態(tài)或熱處理后進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)及硬度測(cè)試,以研究Hf、B和Cr合金化及其復(fù)合作用對(duì)Nb-Si基超高溫合金室溫?cái)嗔秧g性、顯微硬度及宏觀硬度的影響;對(duì)不同Hf含量的合金進(jìn)行了 1250℃的高溫壓縮測(cè)試(應(yīng)變速率為5 × 10-3 s-1),以研究Hf含量對(duì)合金高溫壓縮性能的影響。結(jié)果表明:添加Cr降低合金的室溫?cái)嗔秧g性。單獨(dú)添加Hf或B使合金的室溫?cái)嗔秧g性降低,而同時(shí)添加Hf和B對(duì)其沒有明顯影響。增加B含量至5和10 at.%或Cr含量至10 at.%均使合金的室溫?cái)嗔秧g性進(jìn)一步降低。在B和Cr存在的情況下,合金的室溫?cái)嗔秧g性隨合金中Hf含量的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),且當(dāng)Hf含量較高時(shí)(8 at.%),其提高的幅度更大。γ(Nb,X)5Si3、α(Nb,X)5Si3、β(Nb,X)5Si3的硬度依次降低。由于具有較高的B含量,(Nb,X)3Si的硬度明顯高于(Nb,X)5Si3。熱處理后,(Nb,X)5Si3的硬度輕微降低,而(Nb,X)3Si的硬度則有所增加。含Cr合金的宏觀硬度及其共晶組織的硬度比不含Cr合金中的高,且增加B含量至5和10 at.%或Cr含量至10 at.%均使合金的宏觀硬度增加。初生γ(Nb,X)5Si3和共晶組織的硬度,以及合金的宏觀硬度均隨合金中Hf含量的增加而增加,且當(dāng)Hf含量較高時(shí)(8 at.%),增加更明顯。熱處理后,含Hf合金的宏觀硬度明顯降低(特別是在不含Cr的情況下)。另外,添加少量的Hf(2和4 at.%)可通過固溶強(qiáng)化作用增加合金的高溫壓縮強(qiáng)度。然而,由于合金、特別是γ(Nb,X)5Si3的嚴(yán)重脆化,添加較高含量的Hf(8 at.%)又會(huì)使其高溫壓縮強(qiáng)度明顯降低。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG132.3

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