Cr含量对Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金组织及抗氧化性能的影响

采用真空非自耗电弧熔炼方法制备了4种不同Cr含量的Nb-22Ti-14Si-xCr-3Al-5Hf-1.5B-0.06Y(x=0,10,14,20,at%)超高温合金。研究了Cr含量对合金的相组成、显微组织和高温抗氧化性能的影响。结果表明:不含Cr合金的组织由初生Nbss枝晶和Nbss/(Nb,X)5Si3共晶团组成,含Cr的3种合金中,初生相均为(Nb,X)5Si3,并出现了Nbss/Cr2Nb共晶团。随着Cr含量的增加,初生相(Nb,X)5Si3的含量增加,Nbss/Cr2Nb共晶团的含量增加,而Nbss/(Nb,X)5Si3共晶团的含量却减少,当Cr含量达到20 at%时,组织中未发现Nbss/(Nb,X)5Si3共晶团。1250℃的氧化实验表明:随着Cr含量的增加,氧化膜组织中Ti0.4Cr0.3Nb0.3O2和(Ti,Cr)NbO4含量增加,而Nb2O5和Ti2Nb10O29的含量却减少,氧化膜与基体结合程度加强,合金的高温抗氧化性能也随之增强。

高温均匀化对Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金组织和成分分布的影响

研究了不同均匀化温度对Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金组织和元素分布的影响;结果发现随着高温均匀化处理温度的升高,硅化物的组织形貌由共晶首先转变为细长条状,随后长大为长条状,Laves相Cr_2Nb的形貌由针状转变为粗大的不规则形貌,最后溶解。随着高温均匀化温度的升高,Ti在初生相Nbss中的含量呈现升高的趋势,而Cr在初生相Nbss中的含量呈现先升高后降低的趋势。

Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金在1250℃下的氧化行为

采用真空非自耗电弧熔炼法制备了Nb-22Ti-14Si-20Cr-3Al-5Hf-1.5B-0.06Y(at%)超高温合金,在1250℃下分别进行1、5、10、20、50和100 h高温氧化试验。采用XRD、SEM及EDS分析了合金氧化膜及其合金基体的相组成、组织形貌和成分。结果表明:氧化膜分为两层,致密的外层和疏松的中间层,外层组织由Ti0.4Cr0.3Nb0.3O2组成,并含有少量TiNb2O7和SiO2,且随着氧化时间的延长,TiNb2O7含量逐渐减少,Ti0.4Cr0.3Nb0.3O2的含量逐渐增多;氧化膜中间层主要由(Ti,Cr)NbO4、Ti2Nb10O29和Nb2O5组成;氧化后合金基体内Cr2Nb和Nbss元素发生互扩散,界面处出现过渡区。

Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面ZrSi_2-NbSi_2复合渗层的组织及其抗高温氧化性能

采用先磁控溅射Zr膜,再Si-Y扩散共渗的方法,在新型Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面制备了Zr Si2-Nb Si2复合渗层,分析了渗层的显微组织及形成机制,并研究了其在1250℃的恒温氧化行为.结果表明,1150,1250和1350℃下Si-Y共渗4 h所制备的渗层具有相似的显微组织,均主要由Zr Si2外层,(Nb,X)Si2(X=Ti,Cr,Zr和Hf)中间层和(Ti,Nb)5Si4内层组成.恒温氧化实验结果表明,所制备的渗层具有优异的抗高温氧化性能.氧化时渗层表面形成了由Si O2,Ti O2,Zr Si O4和Cr2O3混合组成的致密氧化膜,能够在1250℃空气中保护基体合金至少100 h不被氧化.

催化剂对Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面Si-Zr-Y共渗层组织的影响

使用不同种类催化剂(NaF,NH_4F,NH_4Cl,NaBr和NaCl)经1250℃保温8 h扩散共渗,在新型Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面制备了Si-Zr-Y共渗层,分析了各共渗层的结构及相组成,并对其组织形成过程进行了讨论.结果表明:不同种类催化剂制备的共渗层由外至内均由(Nb,X)Si_2(X表示元素Ti,Cr和Hf)外层,(Ti,Nb)_5Si_4过渡层及富Al,Cr和Y的(Nb,X)_5Si_3内层组成.在5种催化剂中,采用NaF和NH_4F时制备的共渗层较厚、组织致密,且采用NaF时所制备的共渗层中Zr和Y的含量较高;采用NH_4Cl,NaBr和NaCl时制备的共渗层较薄且表面分布有大量的孔洞以及ZrO_2和HfO_2氧化物.渗包内Si的卤化物平衡气相分压较高时制备的共渗层较厚且组织致密;而Zr和Y的卤化物平衡气相分压对其在共渗层中的含量没有显著影响.

合金成分及熔炼工艺对多元铌基超高温合金组织的影响

采用真空自耗电弧熔炼和真空非自耗电弧熔炼2种工艺熔炼了4种不同成分的多元铌基超高温合金,研究了合金成分及熔炼工艺对组织的影响规律。结果表明:4种成分的合金均由初生Nb基固溶体枝晶或初生(Nb,x)5Si3(x代表Ti,Cr和Hf元素)块和板条以及Nbss/(Nb,x)5Si3共晶团组成。随着Si含量的升高,组织中Nbss/(Nb,x)5Si3共晶团的含量增多且初生相也从Nbss枝晶转变为(Nb,x)5Si3块或板条。铌硅化物相为γ-(Nb,x)5Si3及β-(Nb,x)5Si3。大块或板条状硅化物内有微裂纹出现。

电弧熔炼Nb-Ti-Si-Cr-Hf-Al-B-Y超高温合金母合金锭的组织形成和成分分布特点

采用真空非自耗电弧熔炼然后再真空自耗电弧熔炼的方法制备了Nb-Ti-Si-Cr-Hf-Al-B-Y超高温合金的母合金锭,分析了其在不同位置的组织组成及成分分布特点。发现母合金锭的组织主要由Nbss与(Nb,X)5Si3两相组成。在母合金锭的边缘部位,组织主要由(Nbss+(Nb,X)5Si3)共晶团组成,此外还有少量的Nbss枝晶;但在母合金锭的中央部位,组织由初生(Nb,X)5Si3块或板条以及(Nbss+(Nb,X)5Si3)共晶团组成。母合金锭中的成分分布特点为Si含量由锭边缘向中央逐渐升高,而由锭下部到上部逐渐降低;Ti含量的变化则为由锭边缘向中央,由锭下部到上部逐渐减少。

Nb-Ti-Si基超高温合金的有坩埚整体定向凝固组织分析

在2000℃的熔体温度下,实现了Nb-Ti-Si基超高温合金的有坩埚整体定向凝固,并分析了合金定向凝固组织特征.结果表明,合金定向凝固组织分布均匀.定向生长效果显著,主要由耦合生长的层片状((Nb,Ti)_(ss)+(Nb,X)_5Si_3;X=Ti,Hf)共晶团及少量横截面为六边形的(Nb,X)_5Si_3棒组成.与电子柬区熔定向凝固及水冷铜坩埚内的Czochralski法定向凝固比较,有坩埚整体定向凝固时的轴向温度梯度更高,并且避免了区熔定向凝固时存在的固/界面前沿熔体中的对流和集肤效应,因而合金的定向生长效果更加明显.

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。

铌基超高温合金表面包埋Si-Y共渗涂层的显微组织

通过在1050和1150℃包埋Si-Y共渗5—20 h的方法在铌基超高温合金上制备抗氧化涂层,对涂层结构、相组成和形成过程进行了分析.结果表明:涂层主体为(Nb,X)Si_2(X=Ti,Cr,Hf),向内依次为(Nb,X)_5Si_3过渡层和富Al扩散区;不同共渗条件下制备的涂层具有相似的结构,涂层生长的动力学曲线符合抛物线规律.能谱的半定量分析表明,渗层中的Y含量随共渗温度的升高增加显著,而随共渗时间的延长增加缓慢.

铌硅化物基超高温合金Si-Y_2O_3共渗涂层的组织及其高温抗氧化性能

采用Si-Y2O3包埋共渗工艺在铌硅化物基超高温合金表面制备Y改性的硅化物涂层,研究其在1250℃的恒温氧化性能.采用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)与X射线衍射(XRD)分析Si-Y2O3共渗涂层氧化前后的物相组成和组织变化.结果表明:涂层具有明显分层的结构,由外至内依次为(Nb,X)Si2(X表示Ti,Hf和Cr)外层和(Nb,X)5Si3过渡层,在过渡层与基体之间有不连续分布的细小(Cr,Al)2(Nb,Ti)块状沉淀.EDS分析表明,涂层中的Y分布是不均匀的,(Cr,Al)2(Nb,Ti)相的Y含量为0.94at%左右,而(Nb,X)Si2和(Nb,X)5Si3相的Y含量为0.46at%～0.57at%.经1250℃分别氧化5,10,20,50和100h后,Si-Y2O3共渗涂层保持其原始的相组成,并在其表面形成以TiO2、SiO2和Cr2O3组成的致密混合氧化膜,且与基体结合良好.

铌基超高温合金包埋渗铝改性硅化物涂层结构

利用包埋渗法在新型铌基超高温合金表面制备了铝改性的硅化物抗氧化涂层,分析了涂层的相组成、结构及其组织形成过程。涂层制备采用先在1150℃包埋渗硅4h,然后再于800-1000℃包埋渗铝4h的方法。结果表明：渗硅后涂层的相组成为（Nb,X）Si2（X代表Ti,Cr和Hf元素）;再于各温度包埋渗铝后,（Nb,X）Si2层中的平均铝含量随包埋渗铝温度的升高而增加,最高可达10.84at%;当包埋渗铝温度为860-1000℃时会在渗硅层与基体间形成新的铌铝金属间化合物层,且渗入（Nb,X）Si2层中的铝会在局部形成Nb3Si5Al2相。

铌基超高温合金表面Si-Al包埋共渗抗氧化涂层的组织形成

通过1000～1150℃Si-Al包埋共渗8h的方法在铌基超高温合金表面制备Al改性硅化物抗氧化涂层,结果表明:实验温度下制备的涂层均具有多层复合结构;不同温度下共渗涂层外层的相组成不同,但最内层均由(Nb,Ti)Al3和(Cr,Al)2(Nb,Ti)组成。1050℃、8hSi-Al共渗在合金表面形成了Al改性的硅化物涂层,其最外层主要为Nb3Si5Al2,依次往内为(Nb,X)(Si,Al)2(X代表Ti,Cr和Hf元素)层、(Nb,X)5Si3层以及最内层;而在1000℃、8h条件下Si-Al共渗形成的涂层以(Nb,Ti)Al3为主,其中含有少量的(Nb,X)5Si3,没有形成以硅化物为主的涂层;在1100℃、8h和1150℃、8h条件下Si-Al共渗形成的涂层外层以(Nb,X)(Si,Al)2为主,但其中Al含量(摩尔分数)仅为2.35%,没有形成Nb-Si-Al三元化合物层。

Ti-Nb-Si基超高温合金Si-Cr共渗抗氧化涂层的显微组织

采用在1250、1350和1400℃ Si-Cr包埋共渗10h的方法,在Ti-Nb-Si基超高温合金表面制备了Cr改性硅化物涂层。结果表明:各温度下制备的涂层均具有多层复合结构;随包埋共渗温度的升高,涂层外层和中间层的组成相都发生改变。经1250℃,10hSi-Cr共渗时涂层外层为(Ti,X)5Si3(X代表Nb、Hf和Cr元素),中间层为(Ti,X)5Si4,过渡层(Ti,X)5Si3很薄;当提高共渗温度至1350℃时,涂层外层中Cr含量明显提高,外层除了(Ti,X)5Si3外,还出现含Cr的三元相(Nb1.95Cr1.05)Cr2Si3,中间层由(Ti,X)5Si4和(Ti,X)5Si3两相组成,而过渡层((Ti,X)5Si3)增厚;继续提高共渗温度至1400℃时,涂层外层主要由(Nb1.95Cr1.05)Cr2Si3三元相组成,中间层已全部由(Ti,X)5Si3相组成,在过渡层与基体间还存在不连续的块状(Nb,Ti)3Si相,Si-Cr共渗温度对Cr扩散的影响更为显著。

Nb基超高温合金定向凝固组织及其共晶凝固机理研究进展

Nb-Si基共晶体系超高温合金是目前最有希望应用于超高温环境的材料之一。目前的研究还仅仅停留在合金化改善其综合性能及抗氧化涂层的制备等方面,而对其共晶凝固机理等更深层次的研究还较少。从Nb基超高温合金铸态、定向凝固态组织及相组成等角度入手对该合金的微观组织变化规律进行了分析和总结;并对Nb基超高温合金共晶凝固机理的研究进展进行了综述;此外,还讨论了该合金目前仍需解决的问题。

铌硅基超高温合金Si-Ce共渗层的组织及高温抗氧化性能

采用Si-CeO2包埋共渗的工艺在铌硅基超高温合金表面制备了Si-Ce共渗层,研究了其在1250℃时的恒温氧化性能。采用XRD、SEM及EDS分析了Si-Ce共渗层氧化前后的相组成、组织形貌及微区成分。结果表明:Si-Ce共渗层具有明显分层的结构,由外至内依次为(Nb,X)Si2(X表示Ti,Hf和Cr)外层和(Ti,Nb)5Si4过渡层,且Si-Ce共渗层的生长符合抛物线的动力学规律;1250℃的氧化结果显示,Si-Ce共渗层的氧化动力学曲线遵循抛物线规律,其抛物线速率常数比未制备渗层的基体合金低4个数量级,说明其具有优异的高温抗氧化性能。

铌硅化物基超高温合金电弧熔炼态组织和成分分布

采用真空非自耗电弧熔炼后再真空自耗电弧熔炼的方法制备了Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf-Mo-B-Y超高温合金的母合金锭,分析了合金锭不同位置的组织形貌、相组成和成分分布特点。结果表明:母合金锭主要由Nbss,(Nb,X)5Si3和(Nb,X)3Si三相组成。母合金锭组织主要由初生Nbss枝晶,花瓣状Nbss+(Nb,X)5Si3共晶和块状(Nb,X)3Si组成;但在母合金锭底部和顶部的中心部位组织却由分布均匀的Nbss+(Nb,X)5Si3共晶组成,没有出现初生树枝状Nbss和块状(Nb,X)3Si。母合金锭中的成分分布特点为Si由锭边缘向中央逐渐升高,Ti由边缘向中央逐渐递减。

Nb基超高温合金制备及定向凝固用坩埚的选择

目前Nb基超高温合金的制备主要是通过多次电弧熔炼得到成分均匀的铸锭。其定向凝固或者是在水冷铜坩埚内采用Czochralski技术进行,或者是采用不需要坩埚的悬浮区熔法实现,但这两种方法都不能得到较高的温度梯度。为了获得更好的定向凝固组织,需要在超高温超高真空定向凝固设备上进行有坩埚的整体定向凝固。结合国内外共晶自生复合材料常用的制备技术,提出了适用于铌基超高温合金整体定向凝固技术的坩埚材料及其涂层技术。

Y_2O_3对铌硅化物基超高温合金硅化物渗层组织的影响

采用包埋共渗工艺在铌硅化物基超高温合金表面制备了Si-Y2O3共渗层,共渗温度为1050℃,共渗时间为10h。利用SEM,EDS和XRD等方法分析了渗剂中Y2O3添加量对渗层结构、组织形貌及其成分分布的影响,并与相同包埋渗温度和时间下单独渗Si渗层的组织进行了对比。结果表明：在渗剂中添加不同含量Y2O3后的渗层具有相似的结构,均具有明显分层的结构,由外至内依次为（Nb,X）Si2（X表示Ti,Hf和Cr）层,（Nb,X）5Si3过渡层和富Al扩散区。与单独渗Si渗层相比,渗剂中添加Y2O3没有改变渗层表层的相组成,但抑制了渗层中孔洞的产生,使相同包埋渗温度和时间处理后Si-Y2O3共渗层的组织较单独渗Si渗层的更为致密。EDS能谱分析结果表明,Y在渗层中的分布是不均匀的,在靠近过渡层与基体界面处的Y含量较高,并由内向外逐渐递减。随渗剂中Y2O3含量增加,渗层中的平均Y含量出现先增加后降低的规律。当渗剂中Y2O3的加入量为1%2%（质量分数）时,Y2O3具有明显的催渗作用。

高温均匀化及时效处理对Nb-Ti-Si基超高温合金组织的影响

采用真空非自耗电弧熔炼法制备Nb-Ti-Si基超高温合金的母合金锭,分别于1300、1400、1500和1600℃保温50h,对其进行均匀化处理,然后于1100℃保温50h进行时效处理。结果表明:热处理后的组织主要由Nbss和(Nb、x)5Si3(x代表Ti、Cr和Hf元素)组成,经1600℃、50h和1600℃、50h+1100℃、50h热处理后的组织中还出现HfO2。随着热处理温度的升高,多边形和板条状大块硅化物逐渐溶解或破碎成小块硅化物,残留的具有典型层片状或团状形貌的共晶组织的含量逐渐减少。1500℃、50h+1100℃、50h是Nb-Ti-Si基超高温合金比较合理的热处理工艺。