高铬铌硅合金组织及力学性能研究

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雅宝题库解析：
Nb-Si金属间化合物基超高温合金具有熔点高、高温强度好、一定的室温韧性和较好的组织稳定性等特点，是航空发动机叶片重要的候选材料之一，极具替代现有广泛应用的镍基合金作为未来发动机超高温部件材料的潜力。实现高温强度、室温塑性和抗氧化性能相匹配是制约Nb-Si金属间化合物基超高温合金应用的难点，也是近年来研究的重点。现有资料表明，Si、Cr的含量同时强烈影响合金的高温强度、室温塑性和抗氧化性能，熔炼与成型方法强烈影响铸锭的完整性和组织特征。鉴于此，本文针对1150~1200℃的目标使用温度，选择在此温度下具有良好抗氧化性能的高Si高Cr的Nb-16Si-22Ti-2Al-2Hf-17Cr合金，研究了定向凝固工艺对合金显微组织的影响；并在此基础上适当降低Si、Cr含量，选择了在此温度下具有良好强度的Nb-12Si-22Ti-2Al-2Hf-14Cr合金研究了定向凝固和热处理工艺对合金组织和性能的影响，结果表明：Nb-22Ti-17Cr-16Si-2Al-2Hf合金电弧熔炼态相组成为Nbss、α-Nb5Si3、Laves相NbCr2和少量的Nbss+ Nb5Si3共晶，定向凝固没有改变合金的相组成。在6mm/min的抽拉速度下采用不同过热温度（1550、1650、1750℃）定向凝固制备Nb-22Ti-17Cr-16Si-2Al-2Hf合金，分析显示，在过热温度为1550℃时，Nbss相呈颗粒状，Nb5Si3相呈随机分布的块状或短板条状；随着过热温度的提高，Nbss转变为枝晶状且沿轴向定向生长；在过热温度达到1750℃时，Nb5Si3相转变为有一定定向效果的长板条状。在1750℃下采用不同抽拉速度（6、12、18mm/min）定向凝固制备Nb-16Si-22Ti-2Al-2Hf-17Cr合金，分析显示，随着凝固速度的增大，组织明显细化，Nbss相、Nb5Si3相和NbCr2相的定向效果增强，Nbss由低速下的颗粒状转变为粗枝晶、细枝晶状沿轴向定向生长；在凝固速度提高到18 mm/min时，Nb5Si3呈定向效果良好的细长条状。在1750℃下采用不同抽拉速度（0.24、1.2、6、12、18mm/min）定向凝固制备Nb-12Si-22Ti-2Al-2Hf-14Cr合金，分析显示合金相组成为初生Nbss相，Nbss+α-Nb5Si3共晶及Laves相NbCr2。低速下（0.24，1.2mm/min）组织为共晶及NbCr2相，共晶沿轴向定向生长；达到6mm/min时开始出现Nbss枝晶，且共晶出现不同程度的倾斜。随着抽拉速度的增大，共晶组织变细变短，由0.24mm/min时的宽500µm、长3000µm变为18mm/min时的宽50µm、长200µm。 经1375℃100h和1375℃10h热处理后，Nb-12Si-22Ti-2Al-2Hf-14Cr合金的相组成不变。随热处理时间的延长，合金成分更加均匀。经过100h热处理后，抽拉速度为0.24 和1.2mm/min的合金试棒上出现了很多的孔洞和裂纹，其中孔洞主要分布于NbCr2相上，裂纹同时存在于NbCr2相和Nb5Si3相上 ；抽拉速度为6，12，18mm/min的合金试棒上基本没有孔洞和裂纹。Nb-12Si-22Ti-2Al-2Hf-14Cr合金的室温断裂韧性为3.2~14.1MPa•m1/2，其中未进行热处理的低速（0.24mm/min）定向凝固试样性能最差；经热处理之后，合金的断裂韧性普遍有所提高，其中经1375℃10h热处理之后的试样断裂韧性均在10 MPa•m1/2左右及以上。合金的室温抗拉强度随抽拉速度的增大呈增大趋势；经1375℃10h或1375℃100h热处理之后，合金的抗拉强度大幅提高，由未热处理之前的几十提高到近300MPa。