双尺度晶粒/双尺度颗粒新型钼硅硼合金的微观组织调控与强韧化机理

The Mo-Si-B alloy, having excellent high temperature strength and oxidation resistance property, is most potential candidate for the next generation of high-temperature alloy materials. However, the low fracture toughness and concomitantly insufficient workability at room temperature seriously restrict the practical applications of the alloy. This project is focused on the design and preparation of a new Mo-Si-B alloy with bimodal grains (coarse and fine grains) and dual lanthanum oxide particle distribution. The microstructure characteristic of the alloy is fine-grained intermetallic distributed on coarse/fine-grained molybdenum substrate, meanwhile a great number of nano-sized lanthanum oxide particles are homogeneously distributed in the grain interior, while a small amount of submicron lanthanum oxide particles locate at the grain boundaries or phase boundaries. The microstructures will be comprehensively and quantitatively characterized, and the mechanical properties at room temperature and high temperatures as well as the oxidation resistance property of the alloy will be measured. Relationships between the microstructure and mechanical properties will be developed and strengthening/toughening model will be proposed to reveal the individual and coupled strengthening and toughening mechanism of the multiple microstructures. Optimization of the microstructure will be achieved in this project to reach the best strength/toughness combination in the Mo-Si-B alloy, which will be helpful for the alloy design and microstructural tailoring to improve the properties of the advanced Mo-Si-B alloys.

具有优异高温强度和抗氧化性能的钼硅硼合金是下一代高温合金的最佳候选材料之一，但其低的室温断裂韧性导致的可加工性能差严重制约了实际应用推广。本申请拟在双尺度分布氧化镧掺杂钼硅硼合金材料体系基础上，设计和制备具有“粗晶/细晶双尺度连续分布的钼基体上均匀分布有细晶金属间化合物，且占绝大多数的纳米氧化镧颗粒在晶内均匀分布，少量的亚微米氧化镧颗粒分布在晶界或相界上”微观组织特征的钼硅硼合金，通过对微观组织的定量表征，以及室温/高温力学性能与抗氧化性能的测试，系统研究不同温度下合金微观组织变化对合金变形行为与抗氧化性能的影响规律，建立微观组织与性能之间的联系，揭示合金中双尺度钼晶粒与双尺度氧化镧颗粒的单独和耦合强韧化机制，阐明微观结构参数及其耦合作用所影响的强韧化微观机理。研究结果将确定钼硅硼合金强韧化的最佳微观组织特征参数，并为通过微观组织的优化设计以改善钼硅硼合金的综合性能提供实验数据和理论基础。

作为高温结构材料使用的高温合金取得工业化应用的前提条件是该合金需具有良好的室温韧性、高的高温强度和抗氧化性能。而Mo-Si-B合金的低室温韧性严重限制了该合金的应用，本项目目标是采用微观结构优化设计来提高Mo-Si-B合金的室温韧性，通过设计和制备了具有不同粗晶/细晶钼基体以及不同尺度晶内/晶界弥散颗粒分布权重的一系列Mo-Si-B合金，研究了粗晶/细晶钼基体、双尺度金属间化合物及氧化镧/硼化锆颗粒的微观组织结构与合金性能之间的对应关系，研究揭示了双尺度Mo-Si-B 合金微观结构参数及其耦合作用所影响的室温强韧化、高温强化与抗氧化的微观机理。. 取得的主要研究进展如下：.1)获得了粗晶/细晶钼的比例对Mo-Si-B合金微观组织结构的影响规律，建立了合金的微观组织与力学性能的定量关系模型；.2)揭示了双尺度结构和B含量对Mo-Si-B合金断裂韧性的影响规律及其多重强韧化机制；.3)阐明了热处理工艺对双尺度Mo-Si-B合金微观组织与力学性能的影响规律，揭示了双尺度合金的高温强化机制；.4)研究了ZrB2添加对双尺度Mo-Si-B合金的力学性能及抗氧化性能的影响规律，揭示了双尺度结构及ZrB2颗粒的协同韧化机制；.5)分析了双尺度Mo-Si-B合金的高温抗氧化性能，揭示了高温抗氧化机理。. 以上研究工作所获得的双尺度结构Mo-12Si-8.5B合金具有高的断裂韧性(12.5-13.4MPa∙m1/2)、室温强度(2.5-2.7GPa)和高温强度(1300℃，480-621MPa)，同时在900-1400℃下均具有优异的抗氧化性能。. 在本基金的资助下，参加学术会议6次，发表学术研究论文23篇，申请国家发明专利6件，获授权专利4件，培养研究生7名，获中国有色金属协会科技一等奖奖励一项。. 以上研究结果可为钼基高温合金微观组织设计与性能调控方面提供实验数据参考和理论基础。