● 摘要
Nb-Si超高温合金具有熔点高、高温强度好、一定的室温韧性和较好的组织稳定性等特点，是航空发动机叶片重要的候选材料之一，极具替代现有广泛应用的镍基合金作为未来发动机超高温部件材料的潜力。实现室温塑性、高温强度和抗氧化性能相匹配是制约Nb-Si金属间化合物基超高温合金应用的难点，也是近年来研究的重点。现有资料表明，Si、Cr的含量同时强烈影响合金的高温强度、室温塑性和抗氧化性能，熔炼与成型方法强烈影响铸锭的完整性和组织特征。鉴于此，本文针对1150~1200℃的目标使用温度，选择了在此温度下具有良好韧性的低Si的Nb-12Si-22Ti-2Al-2Hf-(2, 6, 10, 14, 17)Cr合金研究了Cr含量对合金组织和性能的影响，选择在此温度下具有良好抗氧化性能的高Si高Cr的Nb-16Si-22Ti-2Al-2Hf-17Cr合金研究了熔炼方法对合金组织及性能的影响，结果表明：（1）Nb-12Si-22Ti-2Al-2Hf-xCr (x=2, 6, 10, 14, 17)合金，微观组织中含Nbss，硅化物（(Nb)3Si和（或）(Nb)5Si3相），和（或）NbCr2相。无论在铸态下还是在1375℃/100h的热处理后，低Cr合金中含(Nb)3Si相，随Cr含量的增加，合金中的硅化物(Nb)3Si逐渐转变为(Nb)5Si3，并且Cr含量高于10at.%时，出现Laves相NbCr2。随Cr含量的增加，热处理态合金组织中Nbss的体积分数在x=6时达到最大值72.1%，在Cr含量大于6at.% 时，Nbss的量随Cr含量的增加而减少到45.9%。(Nb)5Si3相的体积分数由19.5%增加到37.5%；NbCr2出现后，其体积分数由1.8%增加到16.6%。（2）铸态和热处理状态下，Nb-12Si-22Ti-2Al-2Hf-xCr (x=2, 6, 10, 14, 17)合金的断裂韧性都随着Cr含量的增加而降低，同时热处理后合金的断裂韧性都有不同程度的提高。在热处理态，x=2时合金的韧性值为14.5MPa•m1/2，x=17时合金的韧性值为10MPa•m1/2。Cr含量高于6at.%时，1150℃下压缩强度随Cr含量的增加而增加，x=17时合金的最大压缩强度σmax为454MPa，而随着测试温度的升高，压缩强度随Cr含量的增加而快速下降。在1350℃下，x=2时合金强度最高，其σmax为153MPa。（3）由真空非自耗电弧熔炼、真空感应熔炼（熔炼工艺分别为1700℃/10min和1800℃/15min + 0.1 at.% C掺杂）以及真空感应凝壳熔炼（磁悬浮熔炼）（熔炼工艺分别为100kw/3min+120kw/1min、100kw/4min+140kw/1min和140kw/2min+160kw/3min）制备的Nb-16Si-22Ti-2Al-2Hf-17Cr铸锭，其微观组织含有相同的三相：Nbss，(Nb)5Si3以及NbCr2相。感应凝壳熔炼的铸锭组织最细，而电弧熔炼的组织最粗大。其中以真空感应熔炼中熔炼条件为1800℃/15min + 0.1 at.% C掺杂的室温断裂韧性最高，平均值9.15 MPa•m1/2，真空感应凝壳熔炼铸锭的断裂韧性相近，平均值在8.2-8.6 MPa•m1/2之间，而真空非自耗电弧熔炼铸锭的韧性值最低，平均值仅为7.5 MPa•m1/2。（4）1150℃下，以熔炼条件为1700℃/10min的感应熔炼铸锭的压缩强度最高，σmax为477MPa，三种条件下制备的感应凝壳熔炼铸锭压缩强度值相近，而以电弧熔炼铸锭的强度最低，为393MPa；1250℃下，以熔炼条件为140kw/2min+160kw/3min的感应凝壳熔炼铸锭的压缩强度较高，为384MPa，而感应熔炼的两个铸锭强度大小相当，同样以电弧熔炼铸锭的压缩强度最低，仅为264MPa。