PDF《Hf 含量对 Nb-Si 基超高温合金组织的影响》

Mo 和W等有稳定 β(Nb,X)5Si3 的作用,并能通过固溶 强化作用提高合金的力学性能[12] ;

Hf 的添加可以促进 γ(Nb,X)5Si3 的形成并改善合金的高温抗氧化性能[13,14] . 迄今为止,有关合金化元素的研究主要是在三元、四 元等简单 Nb-Si 体系中进行,而在多元体系中的研究 还比较少.而且,合金化元素的含量以及它们之间的 交互作用对 Nb-Si 基超高温合金组织和性能的影响还 没有得到系统的研究.因此,本工作研究了不同 Hf 含量对Nb-Ti-Si-Cr-Al 系合金电弧熔炼态及经1450 ℃/50 h 热处理后组织的影响.

1 实验采用真空非自耗电弧熔炼法制备了

4 种名义成分 为Nb-22Ti-16Si-3Cr-3Al-xHf (x=0, 2, 4, 8, at%) 的Nb-Si 基超高温合金.熔炼时的电流控制在

1100 A 左右,每一个合金锭都经过

6 次反复熔炼以确保其成分 均匀. 采用电火花线切割的方法切取

8 mm *8 mm *8 mm 的试样,其中一部分用于电弧熔炼态组织分析, 第9期张松等:Hf 含量对 Nb-Si 基超高温合金组织的影响 ・2183・ 另一部分用于热处理实验.热处理工艺为:将不同 Hf 含量的合金置于超高温高真空热处理炉内,当真空度 达到 1*10-3 Pa 时开始加热, 升温速率控制在

14 ℃/min 左右,当炉温达到

1000 ℃时停止抽真空,并向炉内充 入高纯氩气进行保护,当温度升到

1450 ℃后保温

50 h,保温结束后试样随炉冷却至室温.用80#~2000#的SiC 水砂纸将试样表面逐级打磨,然后在无水乙醇中 超声波清洗

10 min 后吹干备用.使用荷兰 Panalytical X'

Pert PRO 型X射线衍射仪 (XRD) 和配有能谱仪 (EDS) 的Zeiss Supra-55 型扫描电镜 (SEM)对电弧熔炼 态及热处理试样的组织进行观察与分析.为了便于描 述,在本文中将用 xHf-AC 和xHf-HT (x = 0, 2, 4, 8) 来 表示这

4 种合金的电弧熔炼态和热处理试样,其中 AC 为电弧熔炼态试样,而HT 为热处理试样.

2 结果与讨论 2.1 合金的相组成 图1a 和1b 分别为 Nb-Si 基超高温合金电弧熔炼 态和热处理试样的 X 射线衍射图谱.由图 1a 可知, 0Hf-AC 和2Hf-AC 合金中的组成相均为 Nbss (bcc 结构),α(Nb,X)5 Si3 (四方 D8l ,Cr5 Si3 型结构) 和图1Nb-Si 基超高温合金电弧熔炼态及热处理后的 X 射线衍射图谱 Fig.1 XRD patterns of the Nb-Si based ultrahigh temperature alloys under the as-cast (a) and the heat-treated (b) conditions γ(Nb,X)5Si3 (六方 D88,Mn5Si3 型结构),而4Hf-AC 和8Hf-AC 合金中的组成相仅为 Nbss 和γ(Nb,X)5Si3.可见,添加 Hf 会抑制 α(Nb,X)5Si3 的形成,而促进 γ(Nb,X)5Si3 的形成.当Hf 含量提高至

4 at%和8at% 时,α(Nb,X)5Si3 的形成被完全抑制,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,4种合金中的相组成均没有发生改变,但γ(Nb,X)5Si3 的衍射峰数量和强度在一定程度上有所增 加,而0Hf-HT 和2Hf-HT 合金中 α(Nb,X)5Si3 的衍射 峰数量和强度则有所下降,如图

1 所示. 2.2 电弧熔炼态组织 图2为不同 Hf 含量合金的电弧熔炼态组织的背散 射电子 (BSE) 像.由图可见,这4种合金均为过共晶 合金,且随着 Hf 含量的增加,合金的组织形貌发生了 明显的变化. 表1给出了这些合金中各组成相的成分. 结合 XRD,BSE 和EDS 分析结果可知,0Hf-AC 合金 组织由大块初生 α(Nb,X)5Si3 (呈典型的小平面相形貌, 有的以四边形的结构生长),Nbss 枝晶以及两种共晶 构成,如图 2a 所示.其中,II 类共晶 (黑色区域) 主 要分布于 Nbss 枝晶间, 且Ti, Cr 和Al 元素在 II 类共 晶中的含量明显高于在 I 类共晶 (灰色区域) 中的. 当 合金中添加