● 摘要
铌硅合金具有高熔点（1750℃以上）、低密度（6.6-7.2g/cm3）、高的刚度和高温强度，有望用于在1200~1400℃工作的燃气涡轮发动机叶片等热端部件，是代替目前已达极限使用温度的Ni基高温合金的最具潜力的材料之一。本文设计选取了相组成为NbSS和Nb5Si3相的亚共晶、共晶和过共晶合金体系，利用真空非自耗电弧熔炼、液态金属冷却定向凝固和热处理等工艺进行合金制备及后续处理，研究了凝固工艺和热处理条件对凝固过程及组织形貌演变规律的影响，以及微观组织特征对力学性能的影响，为超高温铌硅合金的成分设计和工艺优化提供指导作用。
在课题组前期合金化研究基础上，本文选取了三种合金：Nb-(14,15,16)Si -(22-24)Ti-2Hf-2Al-4Cr，经过1900℃、1.2-50mm/min定向凝固后，均由NbSS和Nb5Si3相组成，消除了亚稳相Nb3Si和低熔点相NbCr2。合金1：Nb-14Si-22Ti-2Hf-2Al-4Cr，定向凝固组织由初生的NbSS枝晶和NbSS+Nb5Si3共晶组成，所研究抽拉速率范围内呈现亚共晶组织形貌；合金2：Nb-16Si-24Ti-2Hf-2Al-4Cr，定向凝固微观组织由初生块状Nb5Si3相及NbSS+Nb5Si3共晶组成，所研究抽拉速率范围内呈现过共晶组织形貌；合金3：Nb-15Si-24Ti-2Hf-2Al-4Cr，定向凝固微观组织由NbSS+Nb5Si3共晶组成，所研究抽拉速率范围内呈现共晶组织形貌，消除了粗大的初生相。
三种合金在所研究抽拉速率范围内均存在三种类型的共晶组织。其中，第I类共晶为花苞状共晶，共晶胞横截面为四方形貌，NbSS相以中间细小边缘粗大的放射状形貌分布在Nb5Si3基体上；纵截面NbSS相呈现棒状或鱼骨状，定向排列在Nb5Si3相上。第II类共晶为层片状共晶，Nbss片层均匀分布在深色富Ti的Nb5Si3*基体上，Nb5Si3*相上存在微裂纹。该类共晶填充在初生枝晶臂间或I类共晶胞边缘，富含低熔点元素，在凝固的最后阶段析出。第III类耦合共晶组织，纵截面形貌由Nbss相与Nb5Si3相沿定向凝固方向耦合排列组成，其中Nbss相为连续相，Nb5Si3相呈现非连续、沿定向凝固方向排列的细小棒状结构；横截面形貌为近圆形的Nbss与Nb5Si3相相间分布组成共晶胞。三类共晶胞的体积分数也随抽拉速率的变化呈现一定的变化趋势。当抽拉速率在1.2-6mm/min的范围内，定向凝固组织中的共晶组织包含第I类花苞状共晶和第II类层片状共晶，以第I类共晶胞为主；当抽拉速率达到18mm/min时，定向凝固组织中出现第III类耦合共晶，且第三类共晶的体积分数随抽拉速率的增加而增加，当抽拉速率在18-36mm/min的范围内，试样中的共晶组织主要以第III类共晶为主；当抽拉速率为50mm/min时，较强的横向热流影响了共晶组织随抽拉速率的演变规律。
不同的合金微观组织形貌对其力学性能有着显著的影响。
对于合金1：Nb-14Si-22Ti-2Hf-2Al-4Cr，Nbss相的体积分数在三种合金中最大，高达70%，但其断裂韧性最高值为14.37MPa·m1/2，不及合金3的最高值19.07MPa·m1/2。这与初生NbSS枝晶的形貌有关：不发达的枝晶主干及细长的二次枝晶臂起不到较好的增韧作用，且会破坏热处理组织的均匀性，增韧作用不及合金3中细小均匀的NbSS网络状结构。因此合金1中的初生NbSS枝晶，并未最大限度的发挥其增加韧性的作用。
对于合金2：Nb-16Si-24Ti-2Hf-2Al-4Cr，在整个抽拉速率范围内，初生块状的Nb5Si3相均以四方形的横截面形貌存在，随着抽拉速率增加，其单相尺寸虽逐渐减小，但较大抽拉速率下，Nb5Si3相呈团簇状分布，且团簇尺寸较大。大尺寸的初生Nb5Si3相在断裂过程中会成为裂纹源和裂纹扩展的通道，对铌硅合金的力学性能不利。
对于合金3：Nb-15Si-24Ti-2Hf-2Al-4Cr，在整个抽拉速率范围内，微观组织形貌均是由共晶组织构成，与合金1和合金2相比，消除了粗大的初生相有利于提高合金的力学性能；同时，不同的共晶组织形貌对力学性能也有着不同的影响。当抽拉速率在1.2-6mm/min之间，合金3的主要共晶组织为第I类花苞状共晶，共晶尺寸大，热处理后NbSS相连续性不好，增韧作用不明显。同时，热处理组织中存在富Ti的Nb5Si3*相，其上分布的微裂纹对试样力学性能不利。而当抽拉速率达到18mm/min以上时，出现第III类共晶，NbSS相和Nb5Si3相沿定向凝固方向耦合生长的形貌，且该种形貌共晶体积分数随抽拉速率增加而逐渐增加。该种形貌的共晶组织经过热处理后，NbSS相呈现规则的网络状结构，Nb5Si3相以孤立增强相均匀分布其中，对室温韧性和室温高温抗拉强度均有利。且当抽拉速率超过36mm/min，组织中带有微裂纹的富Ti的Nb5Si3*相消除，更有利于室温韧性和室温高温抗拉强度的提高。
通过合金成分和定向凝固工艺及后续热处理优化，合金3：Nb-15Si-24Ti-2Hf -2Al-4Cr，经过1900℃、36-50mm/min定向凝固及后续1450℃/12h热处理，得到了纤维状增强的网络状结构：NbSS相相互连接，形成沿定向凝固方向规则排列的网络状结构，纤维状Nb5Si3孤立相定向排列其中。该种形貌与其他形貌相比，具有最优的室温强韧性结合，其室温断裂韧性最高值为19.07MPa·m1/2，室温抗拉强度最高值为491.66MPa。HT3-36试样在1200℃和1300℃的高温抗拉强度分别为314MPa和158MPa。