化学气相沉积铌钨合金的成型机理与强化机制研究

Niobium tungsten alloy (Nb-W alloy) is an important high temperature structural material, which has a very wide range of applications in aerospace, aviation, atomic energy and other high technology fields. Traditionally, Nb-W alloy is prepared by the method of casting and powder metallurgy and strengthened by the addition of multi-component for further. This project will use the technique of chemical vapor deposition (CVD) to prepare the Nb-W alloy for the first time. The research on the designing and molding of Nb-W alloy is based on thermodynamic calculation and analysis. The basic scientific questions will focus on forming dynamics of Nb-W alloy, evolution law of the microstructure features and the influence of microstructure on mechanical properties of the alloy etc.. Through the research, strengthening and forming mechanisms of Nb-W alloy prepared by CVD will be revealed, as a new molding technique and theory of Nb-W alloy can be developed and improved. Eventually, The Nb-W two element alloy system which has excellent mechanical properties and practical value can be developed while technical and theoretical basis of using CVD technology to prepare other alloy material can be provided.

Nb-W合金是重要的超高温结构材料，在航天、航空及原子能等高技术领域具有非常广泛的应用。传统的制备Nb-W合金的方法是熔铸法及粉末冶金法等，并采用添加多组元的方式对合金进行进一步的强化。本项目首次将化学气相沉积（CVD）技术应用于Nb-W合金的制备，在热力学计算与分析的基础上，开展Nb-W合金的设计与CVD成型研究工作。重点研究Nb-W合金的CVD成型动力学、微观层状结构特征的形成与演化规律，以及这种特殊的显微组织结构对合金力学性能的影响等基础科学问题。通过研究，揭示Nb-W合金的CVD成型机理及强化机制，发展并完善Nb-W合金新的制备成型技术与理论。研制出具有优良力学性能和实用价值的Nb-W二元合金体系，并为CVD技术制备其他合金材料提供技术与理论基础。

Nb-W合金是重要的超高温结构材料，在航天、航空及原子能等高技术领域具有非常广泛的应用。本项目首次将化学气相沉积（CVD）技术应用于Nb-W合金的制备，重点研究Nb-W合金的CVD成型动力学、微观结构特征及其强化机制。获得了一系列重要研究结果：（1）采用正交试验方法研究了氯化温度、沉积温度、气体流量等5个沉积参数对NbW合金沉积动力学、组织结构及力学性能的影响；（2）归纳了正交试验样品的共同显微组织特征，对有潜在应用价值的样品进行力学性能测试。强度测试表明，本项目选取的沉积参数获得样品中，W含量在4～10%之间强化明显， W含量10%wt的合金室温强度达到475MPa，通过1400℃，2-6小时热处理强度可提升至570-670MPa，超过了目前应用最为广泛的C103及Nb521合金的强度，但是塑性稍低，延伸率为1.3%-4.6%，呈现解离断裂特征；（3）Nb-W合金的力学性能除了受到成分的主导还受到组织结构影响。本项目制备的Nb-W合金在沉积方向为柱状晶，垂直于生长方向为等轴晶，沉积层基体为(Nb,W)SS，平均晶粒尺寸范围为23μm～233μm。首次发现含量大于1%wt的CVD Nb-W合金，层状结构特征明显，层状组织沿晶体生长方向逐层排列，结构紧密，晶界处仍能连接，平均层厚为5～15μm。层间存在成分起伏，沉积层内出现<111>、<001>择优取向；反应物浓度的变化及氯化物键能的差异是层状结构形成的主要原因。（4）Nb、W原子共沉积过程中形成了柱状晶及连续的层状起伏，层间的成分差异、晶粒尺寸的交叠及取向差异与柱状晶生长协调一致地出现在 CVD Nb-W 合金微观组织，实现了组织结构对合金的强化。通过项目研究，获得了Nb-W合金的CVD成型规律及其强化机制，研制了具有优良力学性能和实用价值的二元合金体系，可为CVD技术制备其他合金材料提供技术与理论基础。