Nb-Si基合金電磁冷坩堝定向凝固組織和性能研究.pdf

1、目前渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作葉片材料主要是鎳基合金，其最高工作溫度為1100℃，而新一代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度要求為1200-1400℃，這超出了鎳基合金的使用溫度。與鎳基合金相比，Nb-Si基合金具有高熔點(diǎn)，低密度（6.6-7.2g/cm3）和優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。然而Nb-Si基合金的室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能的不平衡是制約該合金走向工程應(yīng)用的主要障礙，克服該障礙的有效方法是合金化和定向凝固。目前，Nb-Si基合金有兩大合金化體系：一、合金化元

2、素為W，Mo和Mn的高強(qiáng)度體系；二、合金化元素為Ti，Cr和Al的低密度體系。已有的研究表明高強(qiáng)度體系的室溫?cái)嗔秧g性較低且密度較大，低密度體系的室溫?cái)嗔秧g性較高且密度較低，故本論文選擇低密度體系的Nb-Si基合金做為研究對(duì)象。Nb-Si基合金的力學(xué)性能與組織有關(guān)，包括：Nb固溶體(Nbss)的體積分?jǐn)?shù)，尺寸和長(zhǎng)寬比；硅化物的種類和形態(tài)；Nbss/Nb5Si3的界面數(shù)目。然而組織可以由定向凝固工藝參數(shù)調(diào)控。本文采用電磁冷坩堝定向凝固制備N

3、b-Si基合金，其可控的工藝參數(shù)包括加熱功率，抽拉速率和保溫時(shí)間。本文通過正交試驗(yàn)成功地制備了一批Nb-Si基合金試樣，研究了Nb-Si基合金組織與工藝參數(shù)的關(guān)系，力學(xué)性能及力學(xué)性能與組織的關(guān)系。
　　采用Castep軟件計(jì)算了合金化元素Ti，Cr，Al和Hf對(duì)Nb和α-Nb5Si3的摻雜形成能，總態(tài)密度，價(jià)電荷密度和彈性常數(shù)的影響，為Nb-Si基合金的成分設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文研究的Nb-Si合金材料的名義成分為定為Nb-22Ti-

4、16Si-3Cr-3Al-2Hf(at.％)。經(jīng)計(jì)算表明：Ti，Cr和Al可以固溶于Nb；Ti和Hf可以固溶于α-Nb5Si3。Ti加入Nb單胞引起費(fèi)米面的總態(tài)密度升高，而Cr和Al加入Nb單胞引起費(fèi)米面的總態(tài)密度降低；Ti和Hf原子加入α-Nb5Si3引起費(fèi)米面總態(tài)密度的降低。Ti加入Nb單胞提高了體系的價(jià)電荷密度，而Cr和Al加入Nb單胞降低了體系的價(jià)電荷密度；Ti和Hf加入α-Nb5Si3引起價(jià)電荷的局域化程度減弱，體系價(jià)電荷密度

5、降低。Ti摻雜Nb單胞引起體積模量，剪切模量和彈性模量的降低；Cr摻雜Nb單胞引起體積模量，剪切模量和彈性模量的增大；Al摻雜 Nb單胞引起體積模量的降低，剪切模量和彈性模量的增加；Ti和Hf摻雜α-Nb5Si3單胞均引起體積模量，剪切模量和彈性模量的降低。
　　初始生長(zhǎng)區(qū)和凝殼是電磁冷坩堝定向凝固制備定向凝固試樣中必然存在的部分，這會(huì)造成材料的浪費(fèi)，然而可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)使初始生長(zhǎng)區(qū)的長(zhǎng)度和凝殼的厚度盡量小。綜合評(píng)定初始生長(zhǎng)區(qū)

6、長(zhǎng)度和凝殼層厚度的結(jié)果表明：影響因素主次為v>t>p；最優(yōu)工藝參數(shù)為P=50 kW，v=0.8 mm/min，t=3 min。工藝參數(shù)對(duì)固液界面失穩(wěn)度的影響因素主次為：t>v>P。隨著保溫時(shí)間的增加，固液界面的失穩(wěn)度逐步減??；隨著抽拉速率的增加，固液界面的失穩(wěn)度逐步增加；隨著加熱功率的增加，固液界面的失穩(wěn)度逐步減小。這表明增加保溫時(shí)間，減小抽拉速率和提高加熱功率有利于固液界面保持為平界面。對(duì)初生Nbss一次枝晶臂間距和二次枝晶臂間距影響

7、因素主次為：v> P> t。隨著抽拉速率的增加，初生Nbss一次枝晶臂間距和二次枝晶臂間距逐步降低；隨著加熱功率的增加，初生Nbss一次枝晶臂間距和二次枝晶臂間距逐步增加；隨著保溫時(shí)間的增加，初生Nbss一次枝晶臂間距和二次枝晶臂間距先增大后減小。
　　定向凝固試樣穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)區(qū)組織都是由Nbss，α-Nb5Si3和少量的γ-Nb5Si3組成。熔體的溫度梯度對(duì)Nbss/Nb5Si3的耦合生長(zhǎng)有影響，主要表現(xiàn)為增大加熱功率和減小抽拉速率

8、有利于Nbss/Nb5Si3耦合生長(zhǎng)。工藝參數(shù)對(duì)Nbss的面積分?jǐn)?shù)的影響不大。隨著抽拉速率的增大，共晶 Nbss粒子平均直徑(MD),平均相間距(λ)和胞狀共晶平均直徑(DE)逐漸減小。在不同的功率下， MD，λ和DE與抽拉速率(v)的關(guān)系分別為：MD=-4.497v+8.741(45 kW)，MD=-3.515v+8.013(50 kW)， MD=-3.886v+7.295(55 kW)；λ=19.091v-0.485(50 kW)，

9、λ=32.150v-0.248(55 kW)；DE=85.823v-0.346(50 kW)，DE=66.816v-0.475(55 kW)。工藝參數(shù)對(duì)合金化元素在各相中的含量和晶格常數(shù)有一定的影響。
　　隨著抽拉速率的增大，室溫?cái)嗔秧g性先減小后增大；隨著保溫時(shí)間的增加，室溫?cái)嗔秧g性先減小后增大；隨著加熱功率的增大，室溫?cái)嗔秧g性逐步降低。在室溫?cái)嗔堰^程中，Nbss相的斷口表現(xiàn)為河流花樣和撕裂棱，這表明Nbss既發(fā)生了解理斷裂又發(fā)生