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)動機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)動機的進口溫度要求為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，低密度（6.6-7.2g/cm3）和優(yōu)異的高溫強度。然而Nb-Si基合金的室溫力學性能和高溫力學性能的不平衡是制約該合金走向工程應用的主要障礙，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度體系的室溫斷裂韌性較低且密度較大，低密度體系的室溫斷裂韌性較高且密度較低，故本論文選擇低密度體系的Nb-Si基合金做為研究對象。Nb-Si基合金的力學性能與組織有關，包括：Nb固溶體(Nbss)的體積分數，尺寸和長寬比；硅化物的種類和形態(tài)；Nbss/Nb5Si3的界面數目。然而組織可以由定向凝固工藝參數調控。本文采用電磁冷坩堝定向凝固制備N

3、b-Si基合金，其可控的工藝參數包括加熱功率，抽拉速率和保溫時間。本文通過正交試驗成功地制備了一批Nb-Si基合金試樣，研究了Nb-Si基合金組織與工藝參數的關系，力學性能及力學性能與組織的關系。
　　采用Castep軟件計算了合金化元素Ti，Cr，Al和Hf對Nb和α-Nb5Si3的摻雜形成能，總態(tài)密度，價電荷密度和彈性常數的影響，為Nb-Si基合金的成分設計提供依據。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.％)。經計算表明：Ti，Cr和Al可以固溶于Nb；Ti和Hf可以固溶于α-Nb5Si3。Ti加入Nb單胞引起費米面的總態(tài)密度升高，而Cr和Al加入Nb單胞引起費米面的總態(tài)密度降低；Ti和Hf原子加入α-Nb5Si3引起費米面總態(tài)密度的降低。Ti加入Nb單胞提高了體系的價電荷密度，而Cr和Al加入Nb單胞降低了體系的價電荷密度；Ti和Hf加入α-Nb5Si3引起價電荷的局域化程度減弱，體系價電荷密度

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，這會造成材料的浪費，然而可以通過調節(jié)工藝參數使初始生長區(qū)的長度和凝殼的厚度盡量小。綜合評定初始生長區(qū)

6、長度和凝殼層厚度的結果表明：影響因素主次為v>t>p；最優(yōu)工藝參數為P=50 kW，v=0.8 mm/min，t=3 min。工藝參數對固液界面失穩(wěn)度的影響因素主次為：t>v>P。隨著保溫時間的增加，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Nbss/Nb5Si3的耦合生長有影響，主要表現為增大加熱功率和減小抽拉速率

8、有利于Nbss/Nb5Si3耦合生長。工藝參數對Nbss的面積分數的影響不大。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)。工藝參數對合金化元素在各相中的含量和晶格常數有一定的影響。
　　隨著抽拉速率的增大，室溫斷裂韌性先減小后增大；隨著保溫時間的增加，室溫斷裂韌性先減小后增大；隨著加熱功率的增大，室溫斷裂韌性逐步降低。在室溫斷裂過程中，Nbss相的斷口表現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