Nb-Ti-Si-Cr基多相超高温合金的定向凝固组织形成机理

新型多元多相Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金有潜力应用在1200～1400℃的温度范围内，需要对其先进定向凝固技术及组织形成机理进行深入研究，而有坩埚整体定向凝固技术是制备该类超高温合金变截面以及复杂形状部件的重要手段。本项目将研究该合金的有坩埚超高温高梯度整体定向凝固技术，通过改变熔体过热度、温度梯度以及抽拉速率等工艺参数，制备组织细化、连续以及组成相挺直排列的定向凝固组织，淬取不同凝固条件下稳态凝固的固液界面；通过研究工艺参数对定向凝固组织中初生相、两相共晶及三相共晶（Nbss+铌硅化物+Laves相）的尺寸、形貌以及分布的影响规律，揭示合金的凝固路径、两相及三相共晶的耦合生长方式、择优取向、溶质再分配、各相的位向关系等定向凝固组织形成机理，并优化定向凝固工艺参数；研究定向凝固组织优化对合金的室温及高温力学性能的影响规律，揭示其强韧化机理。

新型多元多相Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金具有高熔点、低密度、良好的高温强度及室温断裂韧性，有潜力应用在1200～1450℃的温度范围内，因而迫切需要对其先进定向凝固技术及组织形成机理进行深入研究。.本项目成功实现了Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金的有坩埚整体定向凝固，揭示了坩埚材料及熔体温度对合金定向凝固组织的影响，揭示了抽拉速率对定向凝固合金稳态生长区组织和固/液界面形貌的影响规律，并对定向凝固过程中的溶质分凝和合金的凝固路径进行了研究。.有坩埚整体定向凝固的定向效果更明显。随着抽拉速率的提高，定向凝固组织中共晶胞数量增多，共晶胞平均直径以及共晶胞内层片间距降低，共晶耦合生长特征增强，固/液界面经历了平界面→粗胞状→细胞状的演化过程。定向凝固试样的糊状区的凝固路径为：L → (Nb,X)5Si3 + L1；L1 → Nbss + (Nb,X)5Si3 + L2；L2 → Cr-rich (Ti,Nb)ss + (Nb,X)5Si3 + L3和L3 → (Ti,Nb)ss + (Nb,X)5Si3 + Cr2(Nb,X)。.合金的整体定向凝固组织主要由沿试棒轴向挺直排列的横截面呈花瓣状的共晶胞Nbss/α(Nb,X)5Si3、树枝状Nbss以及分布于共晶胞周围的沿试棒轴向耦合生长的层片状共晶组织Nbss/γ(Nb,X)5Si3组成。在共晶胞Nbss/α(Nb,X)5Si3中，Nbss为领先相；而在共晶组织Nbss/γ(Nb,X)5Si3中，γ(Nb,X)5Si3为领先相。随着熔体温度的升高，定向凝固组织中初生Nbss枝晶尺寸减小，数量减少并消失；共晶组织含量增多，共晶胞的平均直径减小。固/液界面随着熔体温度的升高经历了树枝状→胞枝状的演化。随凝固速率增大，共晶胞Nbss/α(Nb,X)5Si3的平均直径以及层片状共晶组织Nbss/γ(Nb,X)5Si3的层片间距均逐渐减小，固/液界面经历了胞枝状→树枝状→胞枝状的演化过程。定向凝固明显提高了合金的室温断裂韧性及高温拉伸持久性能。.在项目执行期间，共在国内及国际期刊上发表论文14篇。在国际会议上做特邀报告2次，口头报告2次，在国内会议做特邀报告1次，发表会议论文5篇。被SCI收录8篇，被EI收录10篇。共培养毕业博士研究生2名，培养毕业硕士研究生7名。