● 摘要
具有重要应用前景的Nb-Si基超高温金属间化合物材料的研发主要基于Nb-Si-Ti三元系，同时添加少量其他合金化元素，如Hf，Cr和Al等。深入理解Nb-Si-Ti合金系的相平衡关系和组织演变规律对研究和发展具有优良综合性能Nb-Si基合金具有重要意义。为了建立Nb-Si-Ti三元合金系的相平衡关系，本文采用非自耗真空电弧熔炼的方法制备了Nb-Si-Ti系金属间化合物超高温结构材料。运用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）等测试方法对合金的晶体结构、微观组织及化学成分进行了分析。研究了合金元素Ti对Nb-Si系合金微观组织、相平衡和相稳定性的影响，为研制多元Nb-Si系金属间化合物基超高温结构材料奠定了一定的基础。通过对选定合金成分铸态试样的组织形貌和化学成分的分析，观察到9种组成相Si, Ti(Nb)Si, Ti(Nb)Si2, Nb(Ti)Si2, Ti(Nb)5Si4, Nb(Ti)5Si3, Ti(Nb)5Si3, (Nb,Ti)3Si, (Nb, Si, Ti)。根据组成相析出的先后关系，确定合金凝固过程中经历的反应，从而得到了Nb-Si-Ti三元合金体系液相面投影图，其中包含7个四项平衡点，相应的反应是：L+Nb(Ti)Si2→Si+Ti(Nb)Si2L+Nb(Ti)5Si3→Nb(Ti)Si2+Ti(Nb)5Si4L+Nb(Ti)Si2→Ti(Nb)Si2+Ti(Nb)5Si4L+ Ti(Nb)5Si4→Ti(Nb)Si2+Ti(Nb)SiL+Ti(Nb)5Si3→Nb(Ti)5Si3+Ti(Nb)5Si4L+Nb(Ti)5Si3→(Nb,Ti)3Si+Ti(Nb)5Si3L+(Nb,Ti)3Si→(Nb,Si,Ti)+Ti(Nb)5Si3对选定成分分别进行1000℃500小时和1200℃100小时的真空退火处理，使组织扩散充分，获得两个温度的平衡态组织。通过成分分析得到Nb-Si-Ti三元系在1000℃和1200℃下的相关系及平衡相图。1000℃和1200℃下Nb-Si-Ti三元系有6个三相平衡，其中二元化合物有Nb¬3Si、Nb5Si3、NbSi2、Ti5Si3、Ti5Si4、TiSi、TiSi2，不形成三元化合物。通过对16Si系列合金显微组织的观察对比，发现Ti原子百分含量在18到30之间的合金，共晶(Nb,Ti)3Si相呈长束状定向生长。由此证明在Nb-Si系合金中添加Ti元素，除了可以提高合金体系的高温抗氧化性能和低温断裂韧性之外，从冶金学的角度考虑，添加18%至30%之间的Ti元素，可以形成长束状片层结构，对定向凝固的制备有着积极的影响。