铌硅复合材料液相致界面柔载超塑行为及机理研究

Nb silicide-based composites which consist of Niobium-silicide phases with a Nb-Si solid solution, are the emerging material of choice, due to their high fracture toughness, high resistance to oxidation and high temperature stability, for structures that will see ultrahigh temperatures in hostile environments, as for example the high-pressure blade and vane in next-generation gas turbines. The structural components used in jet engines have very complex shape and the tough requirements for processing forming, yet the precision processing of these ultrahigh temperature materials has been a significant engineering challenge. Superplastic forming is confirmed to be a key processing technique and has shown the ability to solve this engineering problem. This program will demonstrate that superplasticity in a Nb silicide-based composite can be obtained through introducing a transient liquid phase which can reduce the resistance of the grain slip then release the stress during deformation. Using the combination of theoretical analysis and experimental methods, we will study the superplasticity phenomenon induced by the synergy of liquid phase volume and ultrafine grain in a Nb silicide-based composite. Finally we will present a liquid phase-induced interface soft superplasticity mechanism, and the study will lay a crucial foundation for Nb silicide-based composites superplastic forming theory and industrial applications.

铌硅基复合材料是金属间化合物相和韧性相Nbss按一定比例组合而成的稳定结构材料，具有优异的高温强度和抗蠕变性能，被认为是最有应用前景的下一代超高温结构材料，成为高推重比航空发动机高压涡轮叶片和导向叶片极具潜力的候选材料。本项目面向高性能航空发动机热端部件对高温结构材料的迫切需求，针对热端部件的结构复杂而且精度要求极高以及铌硅基复合材料难以精确成形的问题，利用铌硅基复合材料高温变形时的液相界面的柔载作用，降低晶粒滑移的阻力，释放变形产生的应力集中，使其产生较大的超塑性变形能力，并通过理论与试验相结合的方法，系统研究铌硅复合材料液相分数与细晶化协同调控机理及其对超塑变形的影响规律，阐明基于液相致界面柔载的超塑变形机制，进一步丰富超塑变形理论，为铌硅复合材料的精确成形及其在高推重比发动机中的应用奠定基础。

采用粉末冶金和真空感应电弧熔炼两种方法制备了不同成分组成的铌硅复合材料，通过XRD方法对试样进行物相分析得知材料主要由Nbss相、Nb3Si相和Nb5Si3相组成，采用电子扫描显微镜等观察试样各相的组织形貌。随着Si元素的含量增加，Nbss与Si结合形成更多的化合物相。Fe元素的加入有利于L→Nbss+Nb5Si3反应的进行，生成了Nb5Si3相和次生的Nbss相，硅化物相尺寸增加。为了得到不同细晶化方式对材料组织架构的演变规律影响，采用控制球磨时间及添加剂来达到细化粉末的效果，直接制备等轴细晶材料；通过大变形对铸态铌硅合金材料进行晶粒细化，实现铌硅复合材料过渡液相分数与细晶化的协同调控。.通过改变超塑性拉伸试验参数研究材料的超塑性变形行为及规律。随着温度的升高及应变速率的减小，铌硅复合材料的最大流动应力逐渐减小，延伸率逐渐增加。当应变速率为3×10-4 s-1，温度为1450℃时Nb-16Si-10Ti-5Fe最大延伸率可达到530%。通过高温压缩试验获得不同参数对材料高温力学性能的影响，在一定变形参数范围内，随着实验温度的升高及应变速率的降低，材料的应力峰值逐渐降低。通过纳米压痕测试及微柱压缩试验，从微纳米尺度探索了Nbss相和Nb3Si相的变形行为，其中Nbss为韧性相而Nb3Si为脆性相，Nb3Si比Nbss具有更高的硬度和杨氏模量值。Nb3Si相的断裂韧性值为2.35MPa•m1/2。分析了材料超塑变形后的组织形貌，获得了材料的空洞演变与断裂行为。在Nb-16Si-5Fe-10Ti复合材料的拉伸过程中，会在不易变形的大粒子周围的界面上产生较大的应力集中，导致两相变形不协调从而产生显微空洞，空洞尺寸与数量随应变量的增大而增加。但是随着变形程度的增加，空洞延伸并连接形成圆形或椭圆形。因此，宏观上材料显示出对空洞的高度容忍性，即具有良好的超塑变形性能。.此外，采用第一性原理赝势平面波计算方法，从原子及电子层次对Nb-Si-Ti-Fe体系复合材料的电子结构、键合本质、热物理性质以及弹性性质进行理论计算、预测及性能演变进行了合理解释。