Nb-Si系金屬硅化物的組織形貌和力學(xué)性能研究.pdf

1、Nb-Si系金屬間化合物中，Nb5Si3和NbSi2因具有高熔點(diǎn)低密度的特征，成為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中極具發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟Y(jié)構(gòu)材料。但Nb-Si系金屬間化合物的工業(yè)應(yīng)用仍然存在一些問題，主要包括高溫穩(wěn)定性不夠、高溫強(qiáng)度不理想和室溫韌性較差三個(gè)方面。本文用電弧熔煉和定向凝固等方法制備了兩種共晶材料：Nb/Nb5Si3系和NbSi2/Nb5Si3系。采用X射線衍射，電子探針，掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡，顯微硬度計(jì)，室溫及高溫力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等檢測(cè)

2、手段對(duì)這兩種材料進(jìn)行了表征，探索解決上述三個(gè)問題的途徑。 Nb5Si3相在冷卻或者熱處理過程中會(huì)發(fā)生從β到α的相轉(zhuǎn)變，并伴隨著NbSi2的析出或者亞穩(wěn)相Nb3Si的形成。新相的產(chǎn)生容易導(dǎo)致微裂紋進(jìn)而影響材料的高溫強(qiáng)度。更重要的是材料高溫穩(wěn)定性不足對(duì)于材料的使用是非常不利的。針對(duì)這一問題，本文利用Rietveld方法精確計(jì)算了β-Nb5Si3的相結(jié)構(gòu)，從晶體學(xué)角度探討了造成β-Nb5Si3發(fā)生相轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。發(fā)現(xiàn)過量Si原子在

3、β-Nb5Si3中置換了4b位置的Nb原子，從而導(dǎo)致β-Nb5Si3晶體在c軸方向上出現(xiàn)了Nb-Si鏈。準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的β-Nb5Si3晶體在c軸方向上僅有Nb-Nb鏈。由于Nb-Si鍵的結(jié)合強(qiáng)度高于Nb-Nb鏈，因此Nb-Si鏈的出現(xiàn)必然造成β-Nb5Si3晶體在c軸方向上的不均勻性，進(jìn)而引起了β-Nb5Si3的相穩(wěn)定性下降。為了解決Nb5Si3相穩(wěn)定性的問題，本文從合金設(shè)計(jì)的角度出發(fā)加入Mo元素以置換占據(jù)4b位置的Si原子。由于Mo原

4、子的尺寸和電負(fù)性都與Nb原子相似，因此Mo原子的引入可以改善β-Nb5Si3中在c軸上的不均勻性，最終達(dá)到穩(wěn)定β-Nb5Si3的目的。試驗(yàn)表明，Mo的加入可以達(dá)到穩(wěn)定β-Nb5Si3的目的。 Nb5Si3的本征脆性是其工業(yè)應(yīng)用的另一障礙，目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)在于引入適量的延性相Nb，制備Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料以提高室溫韌性。本文分別研究了Mo和Ti兩種合金元素對(duì)亞共晶材料Nb-10(at.﹪)Si和共晶材料Nb-18(

5、at.﹪)Si室溫?cái)嗔秧g性的影響。合金元素的加入改變了延性相的塑性變形能力，尺寸，形貌和體積分?jǐn)?shù)以及兩相的界面結(jié)合力，進(jìn)而影響了材料室溫?cái)嗔秧g性。對(duì)于亞共晶材料，由于延性相Nb的體積分?jǐn)?shù)較高，延性相的塑性變形能力和界面結(jié)合力對(duì)材料的斷裂韌性影響較大。Mo的固溶強(qiáng)化作用明顯導(dǎo)致延性相的塑性變形能力下降，因此Mo的添加不利于Nb-10(at.﹪)Si斷裂韌性的提高。相反Ti不會(huì)影響延性相的塑性變形能力，并且Ti的加入可以降低相界面的結(jié)合力，

6、引起脆性相對(duì)延性相束縛程度的下降，從而明顯的改善了材料的斷裂韌性。共晶材料中延性相的體積分?jǐn)?shù)較低，因此延性相的尺寸和形貌對(duì)材料的韌性影響更大。5(at.﹪)Mo的加入可以增加延性相粒子的尺寸和體積分?jǐn)?shù)，從而明顯地改善Nb-18(at.﹪)Si合金的室溫韌性。Ti對(duì)于Nb-18(at.﹪)Si合金中延性相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)影響較小，因而對(duì)材料室溫?cái)嗔秧g性的作用不太明顯。 Nb5Si3的熔點(diǎn)極高(2515℃)，難以獲得純凈致密的單相

7、材料，因此通常把Nb5Si3作為增強(qiáng)相使用在Nb/Nb5Si3復(fù)合材料中。但是延性相Nb的引入會(huì)導(dǎo)致材料高溫性能的下降和密度的增加，這對(duì)于用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高溫結(jié)構(gòu)材料而言是非常不利的。為了解決這一問題，本文利用定向凝固制備了具有高比強(qiáng)度的NbSi2/Nb5Si3復(fù)合材料。通過控制定向凝固的抽拉速度和晶體旋轉(zhuǎn)速度獲得了纖維狀共晶組織。利用Mo元素對(duì)β-Nb5Si3的穩(wěn)定化作用，使該材料高溫下獲得了穩(wěn)定的相組成。在1200℃～1500℃

8、的溫度范圍內(nèi)材料具有很高的壓縮強(qiáng)度。其中壓縮方向與凝固方向平行時(shí)，Nb-57(at.﹪)Si-2(at.﹪)Mo合金在1500℃時(shí)壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到593MPa。壓縮方向與凝固方向成45°時(shí)強(qiáng)度較低，這是由于相界面在壓縮過程中發(fā)生滑動(dòng)而影響了壓縮強(qiáng)度。可以觀察到NbSi2/Nb5Si3復(fù)合材料的強(qiáng)度隨溫度變化的曲線在1300℃時(shí)壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)高于1400℃。用透射電鏡觀察壓縮后的NbSi2/Nb5Si3復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)變形集中在NbSi2相，因

9、此NbSi2的高溫強(qiáng)度對(duì)材料整體強(qiáng)度影響較大。分析了合金元素Mo對(duì)NbSi2高溫強(qiáng)度的影響，認(rèn)為二元和三元的NbSi2/Nb5Si3復(fù)合材料分別在1300℃和1500℃下出現(xiàn)強(qiáng)度增加是由于NbSi2在高溫下出現(xiàn)異常強(qiáng)化峰。少量雜質(zhì)形成的異質(zhì)原子氣團(tuán)會(huì)造成NbSi2在1300℃左右出現(xiàn)異常強(qiáng)化峰。而Mo的加入會(huì)影響強(qiáng)化峰的峰值強(qiáng)度和溫度。NbSi2在高溫變形時(shí)位錯(cuò)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致超晶格內(nèi)稟層錯(cuò)(SISF)的出現(xiàn)，SISF導(dǎo)致在NbSi2的C40

10、結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)C11b結(jié)構(gòu)，C11b結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使Mo更容易遷移到位錯(cuò)周圍形成異質(zhì)原子氣團(tuán)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。在變形后的NbSi2相中存在兩種位錯(cuò)[1210]和[121X]。由于在NbSi2中每一個(gè)Nb原子都被幾個(gè)Si原子所包圍，因此置換了Nb原子的Mo的遷移路徑非常有限。由于遷移路徑的限制，Mo原子必須在較高的溫度下才能夠遷移到位錯(cuò)周圍形成異質(zhì)原子氣團(tuán)。因此加入Mo的NbSi2/Nb5Si3復(fù)合材料在1500℃時(shí)高溫強(qiáng)度明顯高于二元的NbSi2