多元Laves Cr2Nb相对Nb-Si基合金从强化到弱化作用的转变机理研究

在Nb-Si合金NbSS/Nb5Si3两相组织中引入Laves Cr2Nb相是实现强度、韧性和抗氧化性平衡的组织保证。申请者发现多元Cr2Nb相提高NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相组织的高温抗氧化性，但对其热强性影响存在拐点现象。在某温度下，多元Cr2Nb相对三相组织起强化作用，超过该温度则使强度下降，大幅降低Nb-Si基合金的承温能力。多元Cr2Nb相的热强性对NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb组织高温强度的影响至关重要。本项目从合金化和多相组织出发，研究Si、Ti、Hf、W等元素对多元Cr2Nb相高温强度、韧脆转变温度、高温变形损伤行为和同素异构转变的影响，揭示多元Cr2Nb相对NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb组织从强化到弱化作用的转变机制，确定避免弱化而具有高温强化作用的多元Cr2Nb相成分以及强韧和抗氧化性平衡的Nb-Si合金NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相优化组织。

采用粉末冶金的方法(热压烧结和放电等离子烧结)制备了多元单相Laves相Cr2Nb合金（含有Si、Ti、Hf、Al、W等）、具有NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相组织的Nb-Si-Cr三元合金以及具有NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相组织的Nb-Si-Cr基多元合金（含有Si、Ti、Hf、Al、W等），开展的研究工作：1）多元Laves相Cr2Nb合金的组织和力学性能；2）具有NbSS/Nb5Si3两相组织的Nb-Si二元合金的组织与性能；3）具有NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相组织的Nb-Si-Cr三元合金的组织与性能；4）具有NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相组织的多元Nb-Si-C基合金的组织与性能, 明确多元合金化的Cr2Nb相与三相合金性能之间的关系及影响机理。结果表明：1）对于多元Cr2Nb相，Ti 是对高温抗氧化性有益的合金元素，而W元素对Cr2Nb相的抗氧化性不利。Ti 的加入降低了Cr2Nb相的熔点和变形激活能，使Cr2Nb相的高温强度下降。而W 对Cr2Nb相的熔点和变形激活能影响不大，对Cr2Nb相的高温强度有利；2）在NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb的Nb-Si-Cr三元合金中，二元Cr2Nb相提高了合金的高温强度和抗氧化性，但对室温韧性不利；3）室温下裂纹在Nb5Si3和Cr2Nb相中直接传播，以脆性方式断裂。当遇到NbSS相时，裂纹以桥接、分叉、绕过和穿过的机制，以解理方式断裂，这些机制对韧性有利。高温下，NbSS相没有明显的变形和损伤痕迹，裂纹主要在Nb5Si3和Cr2Nb相中扩展并以坍塌形式发生破坏；4）在高温氧化条件下， Cr2Nb相占主导地位的合金形成以CrNbO4为主要氧化物的复合氧化层（CrNbO4+ Nb2O5+SiO2），该层致密、连续、不发生剥落，合金具有较好的抗氧化性。NbSS相占主导地位的合金组织形成以Nb2O5为主要氧化物的复合氧化层，该层发生连续剥落，合金的抗氧化性不佳；5）由Ti、Al、Hf合金化的Nb-Si-Cr基合金提高了三相组织的高温抗氧化性，但对高温强度不利，而主要以W、Al、Hf合金化的Nb-Si-Cr基合金，其高温强度良好，但抗氧化性不佳。那些降低Cr2Nb相熔点和变形激活能的元素是造成NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相组织从强化到弱化的根本原因.