铌硅系超高温结构材料中微合金化作用机理研究

Nb-Si based ultra-high temperature alloys have been considered as a very promising material to replace Ni base superalloys in the service temperature range over 1250℃ since they possess high melting point, relatively low density and excellent high temperature strength retention (~1200MPa at 1000℃ and over 500MPa at 1200℃). The objective of this proposal is to investigate the influence of microalloying on the microstructure and mechanical properties of Nb-Si based alloys by introducing trace alloying elements such as Sr, Zr, Mg, Zn, B, P, Y and Ce. The distribution of microalloying elements inNb based solid solution and Nb-silicides , the formation and transformation mechanism of precipitate phases will be analyzed using SEM, TEM and in situ X-ray diffraction techniques. Furthermore, the room/high-temperature mechanical behaviors and the high temperature oxidation behaviors of Nb-Si based alloys will be studied and the correlation between microstructure and mechanical properties will be found. Eventually, the influence of the microalloying elements on the precipitate phase, interface structure, the microstructure transformation, strengthening and toughening, deformation, rupture, and oxidation resistance mechanisms of Nb-Si based alloy will be achieved, which is the important supports for the development of Nb-Si based ultrahigh temperature structural materials.

Nb-Si系超高温合金具有高熔点(1750℃以上)、低密度(6.6~7.2g/cm3 )和优良的高温强度，是一种有望成为使用温度达到或高于1250℃的超高温结构材料。本项目以Nb-Si系超高温结构材料为研究载体，研究不同种类微量合金化元素（金属元素： Sr、Zr、Mg、Zn，非金属元素：B、P，稀土元素：Y、Ce）对合金微观组织结构和性能的影响规律。采用SEM、TEM及X射线原位分析，探明上述微合金化元素在Nb-Si系超高温合金中的元素分配行为及析出相的形成和转变机制，研究微合金化后合金的室/高温力学行为和高温氧化行为，并对组织结构与力学性能的相关关系进行研究，最终揭示微合金化元素对Nb-Si系超高温合金的析出相、界面结构、组织演变、力学性能和氧化行为的影响机制。探索改善合金有害析出相的微合金化方法，为发展承温能力在1200~1400℃范围内使用的Nb-Si系超高温结构材料奠定理论基础。

Nb-Si系超高温合金具有高熔点(1750℃以上)、低密度(6.6~7.2g/cm3 )和优良的高温强度，是一种有望成为使用温度达到或高于1250℃的超高温结构材料。本项目以Nb-Si系超高温结构材料为研究载体，研究不同种类微量合金化元素（金属元素： Sr、Zr、Mg、Zn，非金属元素：B、P，稀土元素：Y、Ce）对合金微观组织结构和性能的影响规律。采用SEM、TEM及X射线原位分析，探明上述微合金化元素在Nb-Si系超高温合金中的元素分配行为及析出相的形成和转变机制，研究微合金化后合金的室/高温力学行为和高温氧化行为，并对组织结构与力学性能的相关关系进行研究，最终揭示微合金化元素对Nb-Si系超高温合金的析出相、界面结构、组织演变、力学性能和氧化行为的影响机制。探索改善合金有害析出相的微合金化方法，为发展承温能力在1200~1400℃范围内使用的Nb-Si系超高温结构材料奠定理论基础。受到电弧熔炼温度过高和氧化烧损的限制，无法成功添加元素P，Zn与Y。本项目研究结果表明：微量元素B, Ce的添加使合金组织得到了细化，枝晶组织形态更加明显，破坏了部分Nb3Si相的网状连接；B的添加使Nb-22Ti-3Si合金硬度、室温断裂韧性和1250℃的抗压强度显著上升，Ce的添加使合金硬度小幅下降，使合金室温断裂韧性和1250℃的抗压强度下降；与Nb-22Ti-3Si 合金相比，Al、Sr元素的加入改变了合金的组成相，促进了硅化物Nb3Si向Nb5Si3的转变，微量的Mg、B、Ce添加未对合金的相组成产生影响；微量元素的添加未改变合金的相界形貌和结构；微量Sr的添加使合金内脆性的富Ti硅化物相分解，增大了合金的室温断裂韧性；微量Zr元素的添加对铌硅合金相组成及组织没有显著影响，但是在Nb-22Ti-16Si-3Al-3Cr-2Hf合金中添加Zr达到5at%以上时，合金中开始析出大量富Ti、Zr元素的硅化物相。