PDF《Hf 含量对 Nb-Si 基超高温合金组织的影响》

2 at% Hf 时,如图 2b 所示,合金中出现 了2种大块初生硅化物,即颜色较暗的 (呈'

H'

型形 貌) 和颜色较浅的 (其形貌与 0Hf-AC 合金中的初生 硅 化物 相似,约 占该合金中总 初生硅化 物含量的70%).EDS 成分分析结果表明,在颜色较暗的初生硅 化物中含有更高的 Ti,Cr,Al 和Hf 含量,特别是 Ti 和Hf 的含量很高,如表

1 所示.Y. Yang 等[15] 的研究 表明,在Ti 和Hf 含量较高的 Nb-Si 基超高温合金中 的硅化物通常为六方结构的 γ(Nb,Ti,Hf)5Si3. 结合 XRD 分析结果(见图 1)可知,2Hf-AC 合金中颜色较暗的初 生硅化物应为 γ(Nb,X)5Si3,而颜色较浅的为 α(Nb, X)5Si3, 且Ti 和Hf 在这两种初生硅化物中的分配比分 别约为 1.3 和1.4. 值得注意的是, 在0Hf-AC 和2Hf-AC 合金的初生 α(Nb,X)5Si3 中,Ti,Cr 和Al 的含量均比 较接近,如表

1 所示. 和0Hf-AC 合金一样, 在2Hf-AC 合金中也分布着

2 种类型的共晶组织,其中,Ti,Cr,Al 和Hf 含量较 高的应为 Nbss/γ(Nb,X)5Si3 (II 类共晶,分布于 Nbss 枝 晶间或初生 γ(Nb,X)5Si3 周围,衬度较暗),反之为 Nbss/α(Nb,X)5Si3 (I 类共晶, 衬度较浅), 如图 2b 所示. 与0Hf-AC 合金相比, 2Hf-AC 合金中 II 类共晶的含量 有所增加 (其面积分数分别约 11.9%和21.5%),且该 共晶胞的尺寸增大;

而I类共晶的含量则有所减少 (其 面积分数分别约为 31.8%和23.1%),但总的共晶含量 2θ/(° ) ・2184・ 稀有金属材料与工程 第44 卷图2Nb-Si 基超高温合金电弧熔炼态组织的 BSE 像Fig.2 BSE images of the as-cast Nb-Si based ultrahigh temperature alloys: (a) 0Hf-AC, (b) 2Hf-AC, (c) 4Hf-AC, and (d) 8Hf-AC 表1Nb-Si 基超高温合金电弧熔炼态组织中各相的成分 Table

1 Compositions of the phases present in the as-cast Nb-Si based ultrahigh temperature alloys (at%) Alloy Phase Nb Ti Si Cr Al Hf 0Hf-AC Nbss 71.3 20.1 2.4 2.6 3.6 C Primary α(Nb,X)5Si3 54.6 12.2 32.3 0.2 0.7 C 2Hf-AC Nbss 72.0 18.4 2.6 2.5 3.4 1.1 Primary α(Nb,X)5Si3 53.1 11.8 32.5 0.2 0.7 1.7 Primary γ(Nb,X)5Si3 45.2 15.5 34.3 0.3 2.3 2.4 4Hf-AC Nbss 72.5 18.1 1.3 2.4 3.5 2.2 Primary γ(Nb,X)5Si3 42.2 14.8 35.6 0.3 2.3 4.8 Cr2Nb/Nbss/ (Nb,X)5Si3 eutectic 36.6 33.3 9.6 13.3 2.5 4.7 8Hf-AC Nbss 69.2 19.2 1.3 2.5 3.2 4.6 Primary γ(Nb,X)5Si3 36.6 14.4 37.1 0.2 2.4 9.3 Cr2Nb/Nbss/ (Nb,X)5Si3 eutectic 33.4 34.0 12.2 11.6 2.3 6.5 无明显变化.另外,在2Hf-AC 合金组织中还观察到 少量亮白色的细小 HfO2 颗粒,这是由于 Hf 元素具有 较高的活性,在凝固过程中与少量溶解在液相中的氧 发生反应而形成的. 结合 XRD,BSE 和EDS 分析结果可知,随着 Hf 含量的增加, α(Nb,X)5Si3 在4Hf-AC 和8Hf-AC 合金中 的 形成 完全受到 抑制,合金组 织主要由 大块初生γ(Nb,X)5Si3, Nbss 枝晶以及 Nbss/γ(Nb,X)5Si3 共晶构成, 如图 2c 和2d 所示.另外,在这

2 个合金中的 Nbss 枝晶间还可以观察到少量衬度较暗的组织,如图 2c 和2d 中方框所示 (下文中讨论),且该组织的含量随 Hf 含量的增加有增多的趋势. 然而, 在Hf 含量为

0 at% 和2at% 的合金中没有观察到该组织的存在.与0Hf-AC 和2Hf-AC 合金相比,这2种合金中初生硅化 物的含量没有发生明显改变 (在本文所研究的

4 种合 金中, 初生硅化物的面积分数分别约为 16.5%, 17.1%, 18.2%和17.5%),但其形貌却发生了变化,呈现出多 边形或板条状结构,有的以近似六边形的结构生长. 此外, 随Hf 含量的增加,合金中共晶组织的含量也没 有发生明显变化.由图 2c 和2d 还可以看出,在一些 初生硅化物中,出现了与它们长轴方向垂直的横向裂 纹,且裂纹的数量随 Hf 含量的增加而增多. 裂纹的产 生可能是由于初生 γ(Nb,X)5Si3 与周围共晶之间热膨胀 系数的不匹配以及六方晶系中本身存在较少的滑移系 所导致的[16] .值得注意的是,在0Hf-AC 和2Hf-AC 合金中的初生硅化物内部没有观察到裂纹. 图3为4Hf-AC 和8Hf-AC 合金中 Nbss 枝晶间衬 度较暗组织的放大图.由图可知,该组织为一种三相 低熔点共晶. H. S. Guo 等[17] 在研究 Nb-22Ti-16Si-6Cr- 3Al-4Hf-1.5B (at%) 合金的定向凝固组织时,在糊状区 的横截面组织中也发现了类似的三相共晶组织,经EDS 以及微区 XRD 分析确定其为 Cr2 Nb/Nbss/ (Nb,X)5Si3.另外,Y. Yang 等[18] 在进行 Nb-Ti-Si-Cr 四 元合金的相图计算和模拟其凝固路径时也证明了该三 相共晶的存在. 对4Hf-AC 和8Hf-AC 合金中的三相共 晶组织进行 EDS 成分分析,发现该三相共晶中的 Ti, Si 和Cr 含量均较高, 其中 Cr 含量分别达到了 13.3 at% 和11.6 at%, 如表