V,Al对Nb-Si系超高温结构材料抗氧化性能的影响

采用真空非自耗电弧炉制备了Nb-22Ti-12Si三元以及三种不同V,Al含量的Nb-Ti-Si-V-Al五元Nb-Si合金,研究了四种合金铸态显微组织和1250℃的抗氧化性能。结果表明:V,Al的加入促进了反应Nb3Si→Nbss+Nb5Si3,使合金相组成由Nbss+Nb3Si转变成为Nbss+Nb5Si3,从而增加了合金中Nbss相体积分数;合金的抗氧化性能随V,Al含量的增加而提高;V,Al的加入使合金氧化皮结构发生了转变,生成了较为致密的氧化皮,降低了合金的氧化速率,减少了合金氧化皮的剥落和金属氧化损失量。Nb-21.9Ti-11.9Si-4.4V-4.1Al经过1250℃/50h氧化后金属损失厚度仅为0.1mm。

Nb-Si金属间化合物基超高温合金研究进展

Nb-Si金属间化合物基超高温合金具有熔点高、密度低、高温强度和加工性能良好的优点,被认为是最有希望取代第3代Ni基单晶高温合金的候选材料。介绍了Nb-Si金属间化合物基超高温合金的典型组织特征、合金成分优化、组织控制以及组成相的作用等方面的研究进展。目前,室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能等单项指标基本达到应用要求,但综合性能指标距航空发动机热端部件的应用要求还有较大差距。未来,在合金优化设计的基础上,如何寻求更合适的组织控制途径,实现室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能硅化物的综合匹配,是Nb-Si金属间化合物基超高温合金发展的重要研究方向。

Nb-Si基超高温合金的研究进展

Nb-Si基超高温合金由于熔点高、密度低和优良的高温强度等特点受到广泛关注,极具作为下一代高推重比航空发动机和超然冲压发动机的热端部件用材料的潜力。本文主要介绍了国内外在合金化、粉末冶金、定向凝固和热处理工艺对Nb-Si基合金组织和性能影响等方面的研究现状,并展望了其发展趋势。

Nb-Si基超高温合金制备技术及抗氧化硅化物渗层

Nb-Si基超高温合金具有高熔点、适中的密度、良好的高低温力学性能等特征,有潜力应用于1200-1 450℃高温,但其抗氧化性能较差。综述了该合金的成分特点、制备方法、特别是其抗氧化硅化物渗层的制备方法、组织特点及其氧化行为。重点介绍了该合金的整体定向凝固方法及其组织特点。开发了Al,Y,Cr,B,Ce,Zr,Ge等单元以及多元联合改性的NbSi2基硅化物涂层体系,其中多种涂层体系经1250-1350℃恒温氧化100-200 h或1 250℃-室温循环氧化100次后仍对基体合金具有优异的保护能力。其中最具有代表性的是采用Si-Al-Y2O3包埋共渗在Nb-Si基超高温合金表面制备的Y,Al二元联合改性硅化物渗层。Al对渗层氧化行为的改性体现于对氧化膜组织结构的影响,即合适的Al含量可促使在渗层（Nb,X）Si2外层的表面优先生成SiO2,从而形成以SiO2·Al2O3为主的致密氧化膜。

Nb-Si基超高温合金的定向凝固研究进展

主要论述水冷铜坩埚内的Czochralski定向凝固、电子束定向凝固、光悬浮定向凝固、整体定向凝固和电磁冷坩埚定向凝固5种定向凝固的基本原理,优缺点以及研究定向凝固Nb-Si基超高温合金所取得的进展。现阶段,基本不用Czochralski定向凝固和电子束定向凝固研究Nb-Si基超高温合金了;到目前为止,光悬浮定向凝固是制备研究Nb-Si基超高温合金的主要手段;整体定向凝固制备的Nb-Si基超高温合金的断裂韧性已达20MPa·m1/2左右;电磁冷坩埚定向凝固制备的Nb-Si基超高温合金的高温拉伸强度已达200MPa(1250℃)。

Ti对Nb-20Si-5Al超高温合金组织的影响

以Nb、Si、Al和Ti粉末为原料,采用放电等离子烧结法(SPS)原位合成了Nb-20Si-5Al-xTi(x=0、18、20、22 at%)合金。利用扫描电镜(SEM)、电子探针微区分析(EPMA)和X射线衍射(XRD)等手段对合金的组织结构进行了分析,研究了Ti对Nb-20Si-5Al合金的组织的影响规律。结果表明:Ti元素的加入会明显改变合金的组织,随着Ti加入量的增加,合金的相组成由Nb_(SS)、Nb_5Si_3和Al_3Nb相转变成为Nb_(SS)、(Nb,Ti)_5Si_3和Ti相;Ti元素的加入消除了合金中的Al_3Nb相,促进了Al元素的均匀分布,同时使得合金中Nb_(SS)相的点阵常数有所增大,衍射峰向左偏转。

合金化元素对Nb-Si基超高温合金微观组织和性能的影响

Ti、B、Al和Cr等元素对Nb-Si基合金组织和性能影响的研究和报道较多,而对Zr、Mo、W和Hf等元素的研究报道较少,这些元素的加入不仅能够优化Nb-Si基合金的微观组织,也能使合金的综合性能明显提升。系统的分析和归纳这些合金元素的加入对Nb-Si基合金组织和性能的影响,对今后Nb-Si基超高温合金的设计和应用有着重大的意义。本文重点关注了Zr、Mo、W和Hf等合金元素对Nb-Si基合金组织、力学性能和高温抗氧化性能的影响。

电子束熔炼Nb-Si系多元合金的组织和性能

采用电子束熔炼对Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf多元合金进行重熔,研究合金锭成分与组织的均匀性以及合金的硬度、室温断裂韧性、高温抗压性能。结果表明:电子束熔炼易导致合金元素的挥发损失,使得合金锭的成分不均匀;高的冷却速度有助于细小、均匀的等轴组织形成,其中硅化物相的显微硬度HV约为1100,是Nb固溶体相的3倍左右;电子束熔炼Nb-Si系多元合金的室温断裂韧性(KQ)约为10.3MPa.m1/2;在1250℃的抗压强度约为426.3MPa,且具有一定的高温塑性。

Nb-Si系金属间化合物的研究进展

介绍了Nb-Si系金属间化合物及其复合材料的制备工艺、力学性能和物理性能,综述了Nb-Si系金属间化合物作为高温结构材料的最新研究进展和发展趋势,作为轻质高温结构材料的有力竞争者,Nb-Si系金属间化合物及其复合材料,特别是具有低温韧性和高温强度优良均衡的Nb-Nb_5Si_3原位复合材料,有望在下一代航空航天发动机上(≥1600℃)应用。

Nb-Si金属间化合物基超高温合金研究进展

Nb Si金属间化合物基超高温合金（Nb-Si基合金）具有高熔点、低密度和良好的加工性能,目标使用温度达到1 200～1 400℃,成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料.主要介绍了北京航空航天大学在Nb Si金属间化合物基超高温合金领域的研究成果,包括合金化、加工制备技术（电弧熔炼、感应熔炼、定向凝固和粉末冶金）、组织控制与性能表征和热防护涂层材料体系设计与制备技术等.发展了Y2 O3坩埚真空感应熔炼和Y2O3模壳精密成型顺序凝固技术,成功制备了涡轮叶片模拟件;发展了Al2O3/Y2O3、Y2O3/Y2O3陶瓷坩埚/模壳液态金属冷却定向凝固技术,实现了Nb-Si基合金的定向凝固组织控制和强韧化匹配;发展了热防护涂层材料体系和制备技术,在合金基体和涂层的高温抗氧化方面均取得了较大的进展.

Nb-Si基超高温合金及其定向凝固工艺的研究进展

具有低密度和高熔点特性的Nb-Si基超高温合金是下一代航空发动机热端部件的重要候选材料之一。但Nb-Si基超高温合金的低室温断裂韧性限制了其工业化应用,合金化和定向凝固是改善室温断裂韧性的有效方法,本文综述了这2个方面的研究进展。合金化方面重点介绍了合金元素通过位错增韧和相改变增韧实现铌基固溶体(Nbss)相的韧化,通过固溶强化和相变提高硅化物相的高温性能,促进硅化物以近“Y”型生长,改善两相的界面等影响,分析发现Ti、Hf、Zr、B和Mg等元素均可改善室温断裂韧性。定向凝固方面综述了Nb-Si基超高温合金的定向凝固方法及特点,不同定向凝固工艺对Nb-Si基合金的组成相、组织形貌、室温断裂韧性以及高温强度的影响,定向凝固过程的组织演变规律及强化机理,分析发现调控工艺可获得Nbss/Nb5Si3良好单向生长的组织。在保证Nbss/Nb5Si3共晶耦合单向生长的情况下,减小Nbss相的厚度,提升其连续性是提高室温断裂韧性的有效方法。还展望了Nb-Si合金化与定向凝固的未来发展趋势。

Hf含量对Nb-Si基超高温合金组织的影响

采用真空非自耗电弧熔炼的方法制备了4种名义成分为Nb-22Ti-16Si-3Cr-3Al-x Hf(x=0,2,4,8,at%)的合金,并于1450℃保温50 h进行了均匀化处理,研究Hf含量对Nb-Si基超高温合金电弧熔炼态及热处理后组织的影响。结果表明:不含Hf的合金的组织主要由初生α(Nb,X)5Si3,Nbss枝晶以及2种共晶(即Nbss/α(Nb,X)5Si3和Nbss/γ(Nb,X)5Si3)构成;加入2 at%Hf,促进了初生γ(Nb,X)5Si3的形成并增加了Nbss/γ(Nb,X)5Si3共晶的含量;当Hf含量增加至4 at%和8 at%时,α(Nb,X)5Si3的形成受到完全抑制,合金中的硅化物仅以γ(Nb,X)5Si3的形式存在。经1450℃/50 h热处理后,原电弧熔炼态的Nbss枝晶与典型的共晶组织形貌基本消失,合金的组织均匀分布。对Hf含量为0 at%和2 at%的合金来说,热处理后的相组成没有发生改变,但α(Nb,X)5Si3的含量减少;而对Hf含量为4 at%和8 at%的合金来说,热处理后Cr2Nb Laves相消失,且在后一种合金中还观察到少量棒状的(Nb,X)3Si相。

Nb-Si基超高温合金研究进展

Nb-Si基超高温合金具有高熔点、低密度和良好的高温力学性能,目标使用温度达到1 200~1 450℃,有望成为新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料。综述了该合金的成分设计、组织调控、性能表征及其加工制备技术,重点介绍了该合金成分-组织-性能之间的关联,探讨了定向凝固技术制备Nb-Si合金涡轮叶片存在的问题。

Ti含量对Nb-Si基超高温合金组织及相成分的影响

采用真空非自耗电弧熔炼的方法制备了Nb-Si基超高温合金,分析了Ti含量对合金组织及相成分的影响规律。结果表明,合金中Ti含量对初生（Nb,X）5Si3的晶型及其尺寸和含量有明显影响。当Ti含量较低时（Oat%~10at%）,初生硅化物为α-（Nb,X）5Si3;与未添加Ti的合金相比,含Ti合金的硅化物含量明显增加;当Ti含量为18at%~20at%时,初生硅化物为α-（Nb,X）5Si3和γ-（Nb,X）5Si3,但α-（Nb,X）5Si3的含量随着合金中Ti含量的增加而减少;当Ti含量为22at%~30at%时,初生硅化物仅为γ-（Nb,X）5Si3。随合金中Ti含量的增加,α-（Nb,X）5Si3的尺寸增大,但γ-（Nb,X）5Si3尺寸基本不变。Ti在Nbss和γ-（Nb,X）5Si3中的含量均随合金中Ti含量的增加而增加,但Ti在α-（Nb,X）5Si3中的含量较低且基本不随合金中Ti含量的增加而变化。

Ti对Nb-20Si-5Al超高温合金性能的影响

采用放电等离子烧结法(SPS)制备了Nb-20Si-5Al-xTi(x=0,18,20,22,摩尔分数)超高温合金,研究了Ti加入量对Nb-20Si-5Al合金的室温断裂韧度和高温抗氧化性的影响。结果表明,随着Ti加入量的增加,超高温合金的相组成由Nbss、Nb_(5)Si_(3)和Al3Nb相转变成为Nbss、(Nb,Ti)5Si3和Ti相。Ti能明显改善Nb-20Si-5Al超高温合金的断裂韧度和高温抗氧化性能,随着Ti加入量的增加均先提高然后降低,在Ti加入量为20%时,合金断裂韧度最大,为7.41 MPa·m^(1/2),相比未加Ti时提高了约56.9%,其高温氧化速率最低,为0.72×10^(-4)g^(2)/(cm^(4)·h)。添加Ti元素后,其氧化产物中出现Ti_(2)Nb_(10)O_(29)、TiNb_(2)O_(7)、TiO_(2)等,可以提高其氧化膜的致密性,从而提高高温抗氧化性能。