PDF《Hf 含量对 Nb-Si 基超高温合金组织的影响》

第44 卷第9期稀有金属材料与工程 Vol.

44, No.9

2015 年9月RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING September

2015 收稿日期:2014-09-14 基金项目:国家自然科学基金(51071124) ;

高等学校博士点基金(20096102110012) ;

高等学校学科创新引智计划(B080401) 作者简介:张松,男,1986 年生,博士生,西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西 西安 710072,

电话:029-88494873,E-mail: [email protected] Hf 含量对 Nb-Si 基超高温合金组织的影响 张松,郭喜平 (西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072) 摘要: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-xHf (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8at%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2at%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8at%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. 关键词:Nb-Si 基超高温合金;

电弧熔炼;

热处理;

铌基固溶体;

硅化物 中图法分类号:TG146.4+

16 文献标识码:A 文章编号:1002-185X(2015)09-2182-07 随着航空技术的发展,要求航空发动机具有更高 的推重比和工作效率,从而对涡轮叶片材料提出了更 高的要求:即具有更高的耐温能力及良好的室温断裂 韧性、优异的高温抗蠕变性能和高温抗氧化性能[1] . 目前广泛使用的 Ni 基单晶高温合金的使用温度已达

1150 ℃,即该合金熔点的 85%[2] ,已接近其使用温度 的极限, 因此急需开发一种新的高温结构材料取代它. 近年来,受到广泛关注的 Nb-Si 基超高温合金,由于 其熔点高(约1750 ℃),密度低(6.6~7.2 g/cm3 ),以及较 好的高温强度和室温断裂韧性,有望在 1200~1400 ℃ 之间或更高温度下使用,成为极具潜力的航空发动机 高温涡轮叶片材料的候选者之一[3,4] . Nb-Si 基超高温合金的组织主要由铌基固溶体和 硅化物构成[5] .其中,铌基固溶体属于延性相,起到 增韧的作用,而硅化物属于强化相,主要增加合金的 强度[6] ,二者所构成的共晶自生复合材料在高/低温力 学性能方面弥补各自的不足,达到了很好的平衡.但 该合金的高温抗氧化性能较差,限制了其在航空等领 域的应用. 为了提高合金的综合性能, 研究者对 Nb-Si 体系进行了多元合金化.目前,在Nb-Si 基超高温合 金中添加的合金化元素包括 Ti、Hf、Al、Cr、B、Y、 V、Mo、W、Sn、Fe、Zr,Ta 和C等.其中 Al,Cr 和Sn 等能提高该合金体系的高温抗氧化性能[7,8] ,但 对塑韧性不利, 且Al 和Cr 可以破坏 (Nb,X)3Si 的稳定 性;

B 有细化晶粒和稳定 α(Nb,X)5Si3 的作用[9-11] ,是 否能提高合金的高温抗氧化性能还有待进一步研究;