本文關鍵詞： Nb-Si基超高溫合金 合金化 組織 抗氧化性能 室溫斷裂韌性 硬度 高溫壓縮 硅化物 鈮基固溶體　出處：《西北工業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：航空技術的發(fā)展要求發(fā)動機具有更高的推重比,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)異的力學及抗腐蝕性能。由于Nb-Si基超高溫合金具有高熔點、低密度及較好的室溫、高溫力學性能等特點,有望成為下一代飛機發(fā)動機用高溫結構材料。然而,其較差的抗氧化性能限制了這些合金在航空等領域的應用。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Hf、B和Cr合金化的研究已有大量報道,但主要集中在三元或四元等簡單的Nb-Si基體系中,且對元素之間的復合作用及成分優(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合金化特別是其復合作用對于開發(fā)新型Nb-Si基超高溫合金并盡早實現(xiàn)其應用具有十分重要的意義。本文主要研究內容和結果如下: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 對合金進行均勻化處理,研究Hf、B和Cr合金化及其復合作用對Nb-Si基超高溫合金相選擇、相穩(wěn)定、相轉變、非平衡及平衡組織的影響。結果表明:B或Cr均能促進過共晶組織的形成,而Hf對合金的共晶點幾乎沒有影響。單獨添加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α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3的形成,同時添加Hf和B則會極大地促進γ(Nb,X)5Si3的形成。添加Cr對5-3型硅化物的晶型沒有影響。同時添加Hf和Cr將促進含Cr2(Nb,X)三相共晶組織的形成。經1450℃/50 h熱處理后,在不含Hf和B的合金中β(Nb,X)5Si3完全轉變?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Hf含量較低時(2at.%),合金中的硅化物為α(Nb,X)5Si3和γ(Nb.X)5Si3,而當Hf含量增加至4和8 at.%時,則僅為γ(Nb,X)5Si3。增加B含量至5和10 at.%不僅進一步促進了 γ(Nb,X)5Si3的形成,還促進了(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發(fā)生(Nb,X)3Si → Nbss + γ(Nb,X)5Si3共析轉變。添加高含量的Cr(10at.%)仍然不會影響5-3型硅化物的晶型(其僅為y(Nb,X)5Si3),但卻會明顯促進含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。對十五種電弧熔煉態(tài)合金在1250℃靜態(tài)空氣中進行了 1或50 h的氧化,以研究Hf、B和Cr合金化及其復合作用對Nb-Si基超高溫合金高溫抗氧化性能的影響。結果表明: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構(即外層和內層),且在合金表面還可觀察到內氧化區(qū)。氧化膜外層主要由TiNb207、(Ti,X)02和無定形硅酸鹽顆粒構成,內層主要由Ti2Nb10029、Ti02、Nb205、Hf02、無定形硅酸鹽及未被氧化的硅化物構成,而內氧化區(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,單獨添加Hf可輕微改善合金的抗氧化性能(基于活性元素的動態(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、降低氧化膜內層的厚度及其所占的比例以及促進內氧化區(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還會明顯促進氧化膜中(Ti,X)02的形成。同時添加B和Cr的合金比單獨添加B或Cr的合金具有更好的抗氧化性能,且增加B或Cr含量會進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會降低氧化膜的致密性并增加其脆性,同時還將增加氧化膜內層的厚度及其所占的比例,抑制內氧化區(qū)中Ti的選擇性氧化并促進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),合金的內氧化明顯加劇,從而使其抗氧化性能又有所下降。對十五種合金在電弧熔煉態(tài)或熱處理后進行了三點彎曲實驗及硬度測試,以研究Hf、B和Cr合金化及其復合作用對Nb-Si基超高溫合金室溫斷裂韌性、顯微硬度及宏觀硬度的影響;對不同Hf含量的合金進行了 1250℃的高溫壓縮測試(應變速率為5 × 10-3 s-1),以研究Hf含量對合金高溫壓縮性能的影響。結果表明:添加Cr降低合金的室溫斷裂韌性。單獨添加Hf或B使合金的室溫斷裂韌性降低,而同時添加Hf和B對其沒有明顯影響。增加B含量至5和10 at.%或Cr含量至10 at.%均使合金的室溫斷裂韌性進一步降低。在B和Cr存在的情況下,合金的室溫斷裂韌性隨合金中Hf含量的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢,且當Hf含量較高時(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Hf含量較高時(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.%)可通過固溶強化作用增加合金的高溫壓縮強度。然而,由于合金、特別是γ(Nb,X)5Si3的嚴重脆化,添加較高含量的Hf(8 at.%)又會使其高溫壓縮強度明顯降低。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG132.3

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李惠萍;發(fā)動機用耐高溫合金[J];中國鉬業(yè);2000年01期

2 李惠萍;新型耐高溫合金[J];中國鉬業(yè);2003年03期

3 李有觀;新型耐高溫合金[J];世界有色金屬;2004年05期

4 李連清;高溫合金超塑切削[J];宇航材料工藝;2005年03期

5 ;關于召開“第十一屆中國高溫合金年會暨高溫合金國際研討會”的第一輪征文通知[J];中國冶金;2006年10期

6 董健;;鎂在高溫合金中的作用及控制[J];黑龍江冶金;2009年04期

7 郭建亭;;高溫合金在能源工業(yè)領域中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展[J];金屬學報;2010年05期

8 師昌緒;仲增墉;;我國高溫合金的發(fā)展與創(chuàng)新[J];金屬學報;2010年11期

9 郭建亭;周蘭章;袁超;侯介山;秦學智;;我國獨創(chuàng)和獨具特色的幾種高溫合金的組織和性能[J];中國有色金屬學報;2011年02期

10 尹志冬;戴斌煜;劉智彬;商景利;王薇薇;;高溫合金凈化技術研究現(xiàn)狀[J];鑄造;2011年05期

相關會議論文 前10條

1 仲增墉;;前言[A];動力與能源用高溫結構材料——第十一屆中國高溫合金年會論文集[C];2007年

2 荀淑玲;閆忠強;王娟輝;王曉梅;胡敏藝;王江;;微量元素硼在高溫合金中的作用[A];低碳經濟條件下重有色金屬冶金技術發(fā)展研討會——暨重冶學委會第六屆委員會成立大會論文集[C];2010年

3 馮滌;韓雅芳;;高溫合金及其相關材料的研究開發(fā)與產業(yè)發(fā)展趨勢[A];中國新材料產業(yè)發(fā)展報告（2006）——航空航天材料專輯[C];2006年

4 劉慶斌;盧翠芬;李冬玲;;一種高鉻高溫合金的物理化學相分析[A];動力與能源用高溫結構材料——第十一屆中國高溫合金年會論文集[C];2007年

5 龐曉輝;劉平;楊軍紅;;高溫合金中錸元素的分析測定[A];動力與能源用高溫結構材料——第十一屆中國高溫合金年會論文集[C];2007年

6 龐曉輝;楊軍紅;劉平;;石墨爐原子吸收光譜法測定高溫合金中痕量硒[A];第三屆科學儀器前沿技術及應用學術研討會論文摘要集[C];2006年

7 孫曉峰;;我國高溫合金材料設計與制備基礎研究進展[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

8 ;序[A];第十二屆中國高溫合金年會論文集[C];2011年

9 張勇;張國慶;李周;劉娜;袁華;許文勇;高正江;王孝平;P.S.Grant;;噴射成形高溫合金組織演變過程試驗研究[A];第十二屆中國高溫合金年會論文集[C];2011年

10 李其娟;;21世紀定向凝固高溫合金使用展望[A];面向21世紀的科技進步與社會經濟發(fā)展（下冊）[C];1999年

相關重要報紙文章 前10條

1 木牛;航天工業(yè)與高溫合金[N];中國冶金報;2000年

2 常宗華;第十屆中國高溫合金學術年會暨21世紀先進高溫合金生產和應用國際研討會舉行[N];世界金屬導報;2004年

3 黃秀聲;我國高溫合金已形成自主體系[N];中國冶金報;2006年

4 記者　 瞿劍;我國高溫合金形成自主體系[N];科技日報;2006年

5 證券時報記者 劉楊　彭志華;鋼研高納 打造世界級高溫合金企業(yè)[N];證券時報;2010年

6 李翠紅 徐愛黨;新中國第一爐高溫合金在撫鋼誕生[N];中國冶金報;2009年

7 杭材;先進高溫合金——制造先進發(fā)動機的基石[N];中國航空報;2012年

8 羅之樝 本報記者 陳巖;我省研發(fā)出高純凈度冶煉高溫合金技術[N];四川日報;2014年

9 申銀萬國 葉培培 徐若旭;工信部重點扶持新材料產業(yè) 看好高溫合金行業(yè)成長性[N];通信信息報;2014年

10 張輝;“高溫合金之王”在丹陽成功生產[N];鎮(zhèn)江日報;2008年

相關博士學位論文 前10條

1 孫躍;納米Y-Ti-O彌散強化FeCrAl薄板的EBPVD制備及組織與性能[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

2 劉濤;GH3535耐蝕Ni基高溫合金組織與性能研究[D];大連理工大學;2015年

3 蔣恩;立式電磁連鑄Incoloy 800高溫合金凝固行為的研究[D];東北大學;2013年

4 張松;Hf、B和Cr對Nb-Si基超高溫合金組織和性能的影響[D];西北工業(yè)大學;2016年

5 玄偉東;高溫合金定向凝固雜晶形成規(guī)律及其控制研究[D];上海大學;2013年

6 趙坦;第二代定向柱晶高溫合金DZ59研究[D];南京理工大學;2009年

7 楊舒宇;Co-Al-W基高溫合金熱力學分析及合金設計[D];東北大學;2012年

8 金文中;K417高溫合金真空熔鑄凝固過程的電磁控制[D];大連理工大學;2008年

9 陳偉;高推重比航空發(fā)動機整體精鑄燃燒室機匣用高強度高溫合金研究[D];南京理工大學;2007年

10 楊愛民;K4169高溫合金組織細化及性能優(yōu)化研究[D];西北工業(yè)大學;2002年

相關碩士學位論文 前10條

1 祝恩鑫;IN690高溫合金熱擠壓工藝及組織演變規(guī)律研究[D];沈陽理工大學;2015年

2 許明;P添加對K984G鑄造合金組織和性能的影響[D];沈陽理工大學;2015年

3 于振龍;IN625高溫合金成分優(yōu)化及熱處理工藝的研究[D];沈陽理工大學;2015年

4 嚴振;殘余應力場及表面完整性對TC11鈦合金和高溫合金疲勞性能的影響[D];貴州大學;2015年

5 謝小華;脈沖磁場和機械振動作用下細化K4169高溫合金晶粒的研究[D];南昌航空大學;2014年

6 夏衛(wèi);亞快速凝固K424高溫合金及其沉淀相析出規(guī)律研究[D];南昌航空大學;2015年

7 陳陽;高溫合金GH4169的“電解—約束刻蝕”復合電化學加工研究[D];南昌航空大學;2015年

8 劉瑞毅;GH4169高溫合金組織與性能的研究[D];東華大學;2013年

9 佟石;線性電磁攪拌作用下Incoloy 825高溫合金凝固行為的研究[D];東北大學;2014年

10 劉琦;高溫合金立式連鑄流動傳熱和應力的模擬研究[D];東北大學;2014年

，

本文編號：1495819