合金化对铌硅基超高温合金组织和性能影.doc
《合金化对铌硅基超高温合金组织和性能影.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《合金化对铌硅基超高温合金组织和性能影.doc(8页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、精品论文合金化对铌-硅基超高温合金组织和性能影响的研究进展*张松,郭喜平5(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安 710072) 摘要:本文综述了合金化元素对铌-硅基超高温合金组成相、相结构以及组织形貌的影响规 律,并讨论了合金化元素在相形成方面的作用机理;其次总结了几个重要合金化元素对铌- 硅基合金高温抗氧化性能和力学性能的影响规律;最后介绍了相图计算在铌-硅基合金成分10设计和组织分析方面的应用。关键词:合金化; 铌-硅基合金; 组成相; 抗氧化; 相图计算中图分类号:TG146.4Research progress in the effects of alloying element
2、s on the15microstructure and properties of niobium silicide based ultra-high temperature alloysZhang Song1, Guo Xiping2(1. State Key Laboratary of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University,Xian 710072;202. State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytech
3、nical University,Xian710072)Abstract: This paper has reviewed the effects of alloying elements on the constituent phases, phase lattice structure and microstructural morphology of niobium silicide based ultra-high temperature alloys and discussed the mechanism of phase formation. Furthermore, the ef
4、fects of25several important alloying elements on ultra-high temperature oxidation resistance and mechanical properties of the alloy system have been summarized. Finally, the application of phase diagram calculation technique in composition design and microstructural analysis of niobium silicide base
5、d alloys has also been introduced.Key words: alloying; niobium silicide based alloys; constituent phase; oxidation resistance; phase30diagram caculation0引言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,也即要求航空发 动机的涡轮前进口工作温度进一步提高,从而对涡轮叶片材料提出了更高的要求,即要有良35好的高温持久强度,高温抗蠕变性能和高温抗氧化性能1。然而,目前最先进的航空涡轮发 动机叶片材料第 3 代 Ni 基单晶高温合金的
6、使用温度达到了 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, 人们研究的铌-硅基超高温合金,由于其高熔点(大于 1750),低密度(6.6-7.2g/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40力的航空发动机高温涡轮叶片材料的候选者之一3,4。铌-硅基合金组织主要由 Nbss(铌基固溶体)和硅化物相构成5。其中,Nbss 属于延性相,作者简介:张松(1986-),男,博士研究生,主要研究方向:难熔合金的合金化 通信联系人:郭喜平(1963-),男,教授,博士生导师,主要
7、研究方向:新型金属结构材料的物理冶金, 凝固技术及理论,抗氧化涂层技术. E-mail: xpguo- 8 -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6,二者所构成的原位复合材 料(即共晶自生复合材料)在力学性能方面弥补各自的不足,达到了很好的平衡。由于该合金在高温下的抗氧化性能较差,且铌基固溶体在 800就发生“pest”氧化7,8,因而限制了该45合金在航空等领域的应用。为了提高合金的综合性能,特别是高温抗氧化性能,研究者们对 Nb-Si 体系进行了多元合金化。目前在铌-硅基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、C
8、 等。其中 Al、Cr、Hf 和 Sn 等能提高该合金 体系的抗氧化性能9,10,但对韧塑性不利;B 有细化晶粒和稳定 -Nb5Si3 相的作用11,12,13, 是否能提高抗氧化性能还有待进一步研究;Hf、Mo 和 W 等能通过固溶强化作用提高合金50的高温力学性能14。本文的目的就是综述合金化元素对铌-硅基合金的组成相、相结构和晶 型、组织形态及组织形成机理等方面的影响,并将介绍合金化元素对该合金体系高温性能方 面的影响,最后讨论相图计算在铌-硅基合金成分设计和组织分析方面的应用。1合金化对铌-硅基超高温合金组成相及其结构的影响铌-硅基合金经历了从二元到多元的发展过程,即 Nb-Si、Nb
9、-Ti-Si、Nb-Cr-Si、Nb-Hf-Si、55Nb-B-Si、Nb-Mo-Si、Nb-W-Si、Nb-Ti-Hf-Si、Nb-Ti-Si-B、Nb-Mo-Ti-Si、Nb-Mo-Cr-Al-Si 和 Nb-Ti-Si-Cr-Hf-Al 等合金体系,最近有研究者还利用 B、C 和 Y 等元素对这些合金体系 进行微合金化以提高合金的综合性能12,13。铌-硅基合金中的组成相包括 Nbss、Nb5Si3、Nb3Si、 NbSi2、Cr2Nb (Laves 相)等,由于非平衡凝固的原因,有些合金中还会出现亚稳相,如亚稳 Nb3Si 相。Nb5Si3 常见有三种晶型,其中 -Nb5Si3(低温稳
10、定相)属于四方 D81,Cr5Si3 型结构,60晶格常数 c 约等于 1.186nm,Si 含量在 36.7-36.8at. %之间;-Nb5Si3(高温亚稳相)属于四方 D8m,W5Si3 型结构,其 c 值约等于 0.506nm,Si 含量在 37.5-40.5at. %之间;而 -Nb5Si3(高 温稳定相)属于六方 D88,Mn5Si3 型结构5。这三种晶型的转变受到合金化元素、制备工艺(如凝固条件)以及热处理等因素的影响,特别是合金化元素的影响更加明显。Cr2Nb 常见有两 种晶型,分别是立方 C15 和六方 C14 结构,前者属于亚稳相15,16。另外,由于合金化元素65的影响,
11、上述各相的晶格常数会在一定范围内变化。目前的研究表明,Ti 作为一种重要的合金化元素,可以提高铌-硅基合金的韧塑性,并 在一定程度上对该合金的抗氧化性能有益3,但 Ti 含量不宜过高,否者将使合金熔点降至1750以下,并促进 Ti5Si3 相形成,对合金的高温力学性能不利,其含量通常在 20-24at. %之间3,17,18,19。Zelenitsas20,21等人研究了加入 Cr 和 Al 对 Nb-24Ti-18Si 合金组织的影响,合70金名义成分如表 1 所示:NbTiSiCrAl582418532418553241854824185546241884表 1 铌-硅化物基自生复合材料的
12、名义成分20,21Table 1 Nominal compositions of the Nb silicide-based in situ composites20,21Nominal compositions (at. %)AlloysKZ3KZ4KZ7KZ5KZ2结果显示,KZ3、KZ4 属于亚共晶合金(初生相为 Nbss),而后三种为过共晶合金(初生 相为 Nb5Si3),说明 Al 能使共晶点成分向低 Si 方向移动。加入 5at. %Cr 可使合金中生成 Laves75相,该相的形成受凝固速率的影响。根据有关相图,Cr 在 Nb3Si 中的固溶度非常小17,22,23,24,它的存
13、在将促使 Nb3SiNbss+-Nb5Si3 反应发生,因此 Cr 有抑制 Nb3Si 相形成的作用。KZ4合金热处理后,此共析转变进行得比较彻底,这进一步证明 Cr 可以降低 Nb3Si 相的稳定性。KZ7 合金组织表明 Al 对 Nb3Si 相的抑制作用比 Cr 更加强烈。另外,Al 还有稳定 -Nb5Si3相的作用,不过在热处理过程中发生了 -Nb5Si3Nbss+-Nb5Si3 反应,该反应受到 Al 元素80等扩散控制。KZ5 合金组织表明加 Cr 可以延缓 -Nb5Si3 向 -Nb5Si3 转变,可见加入 Cr 和 Al 比单独加 Al 更能稳定 -Nb5Si3 相,同时并不影响
14、 Laves 相的形成,Al 的加入反而能够稳 定 Laves 相,因为热处理后该相仍然存在。Tang25等人对 Nb-20Ti-16Si-xCr (x=020at. %)系合金的研究指出,当 Cr 含量大于 7at. %时,合金中将直接生成 -Nb5Si3 相。在不含 Cr 的合金中,Nb3Si 相保持着良好的稳定性,85随着 Cr 含量的增加,Nb3Si 相的稳定性降低,且在 Cr 含量大于 5at. %时会有 Laves 相生成, 这与 Zelenitsas 的研究结果一致。另外,-Nb5Si3 相的生成可能是因为 Cr5Si3 与 -Nb5Si3 具 有相同的晶型。Vellios26,
15、27,28等人的研究指出,加入 5at. %Fe 和 5at. %Sn 将使 Nb-24Ti-18Si-5Cr 合金组 织中生成亚稳 Nb3Si 相和 FeNb4Si、Nb3Sn、Fe7Nb6 等新相。热处理后的组织表明 Fe 的加入90可以延缓 Nb3Si 的共析转变,可见 Fe 有稳定 Nb3Si 相的作用。另外,FeNb4Si 相中的 Cr 含量高达 16.9at. %,导致 Nbss 枝晶周围 Cr 含量较低,这从侧面也证实了 Fe 对 Nb3Si 相的稳 定作用。AlloysNbTiSiCrAlMoHfSnJG16718555JG2432418555JG3462418552JG441
16、24185525JG636241855255Geng29,30,31等人研究了加入 Ti、Hf 和 Sn 对 Nb-18Si-5Cr-5Al-(2, 5)Mo 合金组织的影响, 合金名义成分如表 2 所示:95表 2 在铸态及热处理条件下合金的名义成分29,30Table 2 Nominal compositions (at. %) of the as cast and heat treated alloys 29,30100105110结果表明,在不含 Hf 的合金组织中有 Nb3Si 相生成,Ti 的加入则增强了 Nb3Si 的共析转变。与 KZ5 合金相比,添加 Mo 可以促进 Nb3S
17、i 相生成,这可能是因为 Mo、Ti、Cr 和 Al 元素协同作用的结果,但 Mo 含量的变化并没有影响组成相的形成。根据 Nb-Cr-Al 三元 相图32,33,34,Al 可以稳定 Laves 相,而 Ti 的存在增加了 Nbss 中 Cr 和 Al 的溶解度,这使得 Nbss 枝晶周围达不到生成 Laves 相的条件。另外,由于 Sn 的存在会降低 Nbss 中 Cr 和 Al 的含量,因此 Sn 有稳定 Laves 相的作用。在热处理后的 JG2 合金组织中 -Nb5Si3 向 -Nb5Si3 的部分转变表明 Ti 的加入有利于稳 定 -Nb5Si3 相。此外,在合金中加入 Hf 促进
18、了 -Nb5Si3 相的形成,同时,Grammenos35,36 等人也指出,Ti 和 Hf 的协同作用可以稳定 -Nb5Si3 相,因为 Ti5Si3 和 Hf5Si3 与 -Nb5Si3 有 相似的晶型。Thandorn11等人研究了加入 8at. %B 对 Nb-24Ti-18Si 合金组织的影响,结果表明,加入 B 可以促进 -Nb5Si3 相生成,且合金中的 Nbss+Nb3Si 共晶被加 B 后合金中的 Nbss+-Nb5Si3 共晶所取代。另外,B 的加入还引起了 Si 和 Ti 的宏观偏析。Ma13等人也研究了加入0-10at. %B 对 Nb-16Si-10Mo-15W 合金
19、组织的影响,表明当 B 含量大于 1at. %时发生如下共 晶反应:LNbss+-Nb5Si3。-Nb5Si3 相可直接从液相中析出,这是 Nb-Ti-Si、Nb-Mo-Si 等 系合金凝固过程中没有的,这进一步证实了 B 对 -Nb5Si3 相的稳定作用。文献37-40指出,115120125130135140145150这是由于 B 取代硅化物中 Si 的位置后,较强的电负性使 B 原子和其它原子之间结合力增强的缘故。此外,Ma14等人对 Nb-Si-Mo(W)系合金的研究表明,Mo 和 W 在很宽的成分范围 内(Mo 从 3-45at. %,而 W 小于 20at. %)都有稳定 -Nb
20、5Si3 相的作用。Kim41等人研究了加入 V 对 Nb-Si 系合金组织的影响,结果表明,V 有稳定 -Nb5Si3相的作用。随着 V 含量的增加,-Nb5Si3 中的 c/a 值不断增大,这与 Mo 对硅化物中 c/a 值 的影响不同。Mo 取代 Nb5Si3 中 Nb 的位置后产生两种键合,即001方向上的-Si-Mo-Si-键和 100方向上的-Mo-Mo-和-Si-Si-键,前者结合力较强,这样一来,Mo 既有可能造成 c/a 值增 大(稳定 -Nb5Si3),也有可能减小(稳定 -Nb5Si3),这取决于两种键合所占的比例。在 Nb-Si-V 系合金中,由于 V 选择性取代 Nb
21、 的位置,造成 c/a 值随 V 含量的增加而增大,从而增强了 -Nb5Si3 相的稳定性。2合金化对铌-硅基超高温合金组织形态的影响合金的组织形态包括各相尺寸大小、形状、体积分数及各相分布特点,这是决定铌-硅基合金高温性能的另一个重要因素。刘肖42等人采用电弧熔炼法制备了 Nb-20Si-10Mo 和 Nb-20Si-10Mo-3M (M 为 Cr、Al、Ti)系合金。结果表明,Al、Cr、Ti 三种元素均改变了合 金中的共晶组织形态。其中,Nb-20Si-10Mo 合金共晶组织包括大小不等的黑白块状相交替 分布的区域和其环绕的细密共晶,细密共晶组织为片层结构,占共晶组织的绝大部分;加 Cr
22、 合金组织和前者类似,不过 Cr 的加入使得片层共晶中的两相发生弯曲,整个弯曲片层区 域呈现菊花状;而加 Al 合金的组织特征表明 Al 有利于促使 Nbss/-Nb5Si3 共晶趋于片层化; 加 Ti 合金的共晶组织存在短但很平直的片层结构,绝大部分共晶呈细长的羽毛状。Wang12等人的研究发现 B 能细化铌-硅基超高温合金的显微组织,特别是对硅化物的细 化非常明显。随着 B 含量的增加,合金组织中的板条状硅化物不断减少,而六边形的硅化 物却不断增加。通过定量金相分析发现,不同 B 含量的合金中 Nb5Si3 所占面积百分比均在21%左右,因此,B 的添加只改变了合金中硅化物的形貌,并未改变
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 合金 铌硅基 超高温 组织 性能
链接地址:https://www.31ppt.com/p-5194833.html