Ti-Nb-Si基超高温合金Si-Cr共渗涂层在1250℃的氧化行为

利用包埋共渗法在Ti—Nb—Si基超高温合金表面制备了Si-Cr共渗涂层，共渗温度为1350℃，时间为10h。将Si—Cr共渗后的试样在1250℃下分别氧化5，10，20，50h和100h。利用SEM，EDS和XRD等分析方法研究了涂层及氧化后氧化膜的结构、元素分布及相组成。结果表明，氧化前Si—cr共渗涂层分为4层：最外层为（Ti，X）5Si3（X代表Nb，Hf和Cr元素）和（Nb1.95Cr1.05）Cr2Si。3次外层为（Ti，X）5Si3，中间层为（Ti，X）5Si4，过渡层为（Ti，X）5Si3。涂层试样在1250℃氧化后形成的氧化膜分为两层：外层为（Ti，Nb，Cr）O2，下层为SiO2。未加涂层的试样在1250℃氧化遵循直线规律。加涂层的试样在1250℃氧化遵循分段抛物线规律，5～20h内为Y=15．81＋3．92t1/2，20～100h内为Y=-82．71＋27．12t1/2。在20～100h内氧化的抛物线速率常数比5～20h内氧化的大约高1个数量级。具有高Cr含量的外层比中间层及过渡层具有较好的抗氧化性。

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。

Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金的室温断裂韧性研究进展

Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金具有良好的高温强度和高温抗氧化性能,但室温断裂韧性较差。为了提高该合金的室温断裂韧性,分析了该合金室温断裂韧性较低的原因,对有坩埚整体定向凝固技术、整体定向凝固+高温均匀化处理和热压烧结法等工艺对Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金的室温断裂韧性的影响做了评述,指出了提高该合金室温断裂韧性将来努力的方向。

新型Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金的组织优化

新型Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金具有高熔点、低密度和高强度等特点而成为新一代推重比航空发动机热端部件最具潜力的候选材料。主要介绍了成分设计、合金化、热处理和定向凝固对新型Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金组织的优化进展,在此基础上对Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金的组织优化进行了展望。

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。

热处理对定向凝固Nb-Ti-Si基超高温合金组织及显微硬度的影响

对以2.5μm/s和50μm/s抽拉速率定向凝固的Nb-Ti-Si基超高温合金试样,分别进行了在1250,1350℃和1400℃保温50h的均匀化热处理。结果表明:均匀化热处理后的组织主要由Nbss,β(Nb,X)5Si3及γ(Nb,X)5Si3相组成,在以2.5μm/s抽拉速率定向凝固的试样中还出现了针状Cr2(Nb,Ti)析出相。随均匀化热处理温度的升高,针状析出相的数量增多;经均匀化热处理后定向凝固试样中的大块六边形硅化物的平直边界和尖锐的棱角逐渐圆润;共晶胞中心的细小硅化物逐渐球化,而共晶胞内板条状的硅化物部分碎化,逐渐变成小岛状。热处理后并没有发生β(Nb,X)5Si3向α(Nb,X)5Si3的晶型转变。同定向凝固态相比较,均匀化热处理后合金的显微硬度显著提高,并且随着均匀化热处理温度的升高,合金及各相的显微硬度先升高后降低,在1350℃/50h热处理后显微硬度值最高。

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。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室Nb-Si基超高温合金制备技术研究取得新进展

新型Nb—Si基超高温合金具有熔点高、密度适中、高温强度高等优点，较目前最先进的Ni基单晶高温合金仍有约200℃左右的温度优势，有潜力使用在1200～1450℃的温度范围内，可用于制备推重比在12以上的先进航空发动机涡轮叶片等热端结构部件。

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.

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。

合金化对Nb-Ti-Si基合金组织及高温抗氧化性能的影响

在介绍Nb-Ti-Si基合金多元合金化研究进展的基础上,综述了合金化对改善Nb-Ti-Si基合金的微观组织和提高其高温抗氧化性能的作用。

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。

Nb基超高温合金的制备技术及定向凝固组织

Nb基超高温合金的制备技术主要包括粉末冶金、真空电弧熔炼和定向凝固等,其中定向凝固可以显著提高该合金的高低温力学性能。Nb基超高温合金的定向凝固组织主要由沿着定向凝固方向生长的初生Nbss枝晶、铌硅化物块或板条以及(Nbss+铌硅化物)共晶等组成,定向凝固速率和固液界面前沿液相中的温度梯度会显著影响其组织形貌及尺寸。在其定向生长过程中,Nbss、铌硅化物及(Nbss+铌硅化物)共晶各相之间竞争生长,形成不同的组织形貌及尺寸,但在合适的条件下,共晶两相可以实现平行耦合生长。

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。

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。

CeO_2对铌硅基超高温合金硅化物渗层组织及抗氧化性能的影响

采用Si-CeO2包埋共渗工艺于1 150℃在铌硅基超高温合金表面制备Si-Ce共渗层,分析渗剂中CeO2粉含量对共渗层组织、相组成及高温抗氧化性能的影响。结果表明:Si-Ce共渗层的组织、结构与单独渗硅层的相似,由(Nb,X)Si2(X表示Ti、Hf和Cr)外层、(Ti,Nb)5Si4过渡层和富Al扩散层组成。EDS分析结果表明,Ce在共渗层中的分布不均匀,而在由原基体合金中的(Nb,X)5Si3块转变而成的富Hf(Nb,X)Si2相中含量较高。渗剂中添加CeO2不仅起到了细化渗层组织的作用,而且起到了明显的催渗作用,当渗剂中CeO2粉含量为3%(质量分数)时催渗效果更显著。Si-Ce共渗层及单独渗硅层经1 250℃氧化50 h后的氧化膜均主要由TiO2与SiO2组成。但Si-Ce共渗层试样的氧化膜中TiO2棒更细小,并且在SiO2基体中的分布也更均匀,因而能显著改善氧化膜的粘附性与致密性,进而提高Si-Ce共渗层的高温抗氧化性能。

元素合金化对Nb基高温合金组织和力学性能的影响

综述了近年来国内外在合金化改善Nb基高温合金组织形貌、提高力学性能方面所取得的进展,分析了Ti,Cr,Hf和Mo等合金化元素对合金中Laves相,亚稳相Nb_3Si和γ-Nb_5Si_3的影响,总结了合金元素对材料力学性能的影响规律。

电子束区熔定向凝固Nb基高温合金的组织和性能

研究了Nb-S i-Ti-H f-Cr-A l-B-Y合金在电子束区熔炉上的定向凝固组织、室温断裂韧性和高温瞬时拉伸性能。合金的组织主要由Nb基固溶体(Nbss)、α-(Nb)5S i3和(Nb)3S i相组成。定向凝固后,初生Nbss枝晶以及Nbss+α-(Nb)5S i3/(Nb)3S i层片状或棒状共晶团均沿着试棒轴线定向排列。当电子枪移动速率R=2.4 mm/m in时,定向效果最好。定向凝固使合金在1250℃的拉伸强度及室温断裂韧性均显著提高。R=2.4 mm/m in试棒的抗拉强度最高,达85.0 MPa,同时其室温断裂韧性也达到19.4 MPa.m1/2。

Nb添加对Ti基非晶合金腐蚀及力学性能的影响

为研究微量添加Nb元素对Ti_(40)Zr_(10)Cu_(34-x)Pd_(14)Sn_2Nb_x(x为原子数分数,x=0、1%、3%、5%)非晶合金的耐腐蚀性能及力学性能的影响,本文利用动态极化曲线,分析了在0.144 mol/L的NaCl溶液及0.2 mol/L的PBS溶液中非晶合金Ti_(40)Zr_(10)Cu_(34-x)Pd_(14)Sn_2Nb_x(x=0、1%、3%、5%)的电化学性能,并通过材料拉伸试验研究了非晶合金块状样品的室温压缩性能.结果表明:在0.144 mol/L的NaCl溶液中,非晶合金样品在阳极区出现了自发钝化的特征,钝化电流密度在10^(-7)～10^(-8) A/cm^2,钝化电流密度随着Nb的添加略有降低,且点蚀电位随Nb原子数分数的增加分别为200、340、400和490 mV,说明微量添加Nb元素能有效提高Ti基非晶合金的耐点蚀能力,即在0.144 mol/L的NaCl溶液中Ti基非晶合金的耐腐蚀性随着Nb含量的增加而增强;在0.2 mol/L的PBS溶液中,因磷酸根离子的缓蚀作用,Nb添加导致的成分变化对非晶合金的腐蚀行为影响不大;此外,添加了原子数分数为1%及3%Nb的非晶合金,其压缩强度及塑性变形能力变化不大,但添加5%Nb的非晶合金因较大体积分数纳米晶的存在导致其室温断裂强度及塑性变形能力有明显下降.

Zr含量对Nb-Ti-Si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法制备了成分为Nb-22Ti-15Si-5Cr-3Hf-3Al-xZr（x=0，0．5，1，2，4和8，原子分数，％）的合金，研究了Zr含量对合金电弧熔炼态组织及高温抗氧化性能的影响．结果表明，6种不同Zr含量的合金均由Nb固溶体和γ-（Nb，X）5Si3（X为Ti，Hf,Cr和Zr）组成，添加Zr并未改变合金的相组成，但随着Zr含量增加，合金中初生γ-（Nb，X）5Si3的尺寸增大，含量提高．对不同Zr含量合金在1250℃分别氧化1—50h发现，随着Zr含量的增加，合金氧化膜黏附性及致密性均得到显著改善，Zr含量较高的合金（F4和8）氧化50h后，氧化膜出现明显的分层现象：最外层为致密的单相TiO2层，中间层主要由ZrO2，TiNb2O7和TiO2组成，而内层主要由Si的氧化物组成．随着合金中Zr含量增加，氧化膜厚度及单位表面积的氧化增重均显著降低，抗氧化性能得到明显改善．