题目：合金化对Nb基合金高温抗氧化性能的影响

随着航空航天工业的发展，要求飞行器发动机的工作温度越来越高。目前传统的Ni基高温合金的使用温度仅能达到1100℃，难以满足飞行器发动机发展的需求。与传统的耐热合金相比，铌-硅合金具有高熔点、密度低以及良好的高温强度等优异性能，已经成为突破1100℃，争取1200℃，挑战1500℃的重要高温结构材料的候选者。但是，这类材料的高温氧化性能极差，几乎不能直接胜任高温含氧的工作环境。为了改善该材料的高温氧化性能，本文从合金化的角度入手，探讨了Ti、Si等合金元素对该合金的抗高温氧化性能的作用。本文选取了Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al多元系、Nb-Ti系、Nb-Si系、Nb-Si-Ti系四个系列的合金，采用增重法研究了上述合金在1250℃大气中的恒温氧化行为；利用XRD、SEM、TEM和EDX等测试手段，详细地分析了合金的高温氧化产物、观察了氧化膜的形态、推断了Ti、Si对Nb基合金高温氧化性能的作用。实验结果表明： Nb基合金中随着Ti含量的增加，合金的氧化产物从Nb2O5向Ti2Nb10O29和TiNb2O7依次过渡，其高温抗氧化性也逐渐提高。通过计算发现，Nb2O5、Ti2Nb10O29和TiNb2O7三者的PBR依次减小、结构密度依次增加。PBR的减小可以有效地降低氧化膜的生长应力，提高氧化膜的完整性，结构密度的增加可以很好地降低氧化膜中的传质，进而提高合金的高温氧化性能。Nb基合金中随着Si含量的增加，氧化膜中形成的SiO2质点增多，可以降低氧化膜中的传质，提高合金抗氧化性。但Si含量超过一定范围，会使Nb5Si3相过多。Nb5Si3相在高温氧化过程中会产生裂纹，降低氧化膜的完整性。Nb-Si二元系合金氧化后，SiO2以晶体形式存在。Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al多元系合金高温氧化后，SiO2在室温以非晶形式存在，在高温以液相存在。液相的SiO2可以有效地修复氧化膜中的裂纹、降低氧化膜的生长应力，进一步提高氧化膜的完整性。Nb基多元合金高温氧化初期，氧扩散速度很快，合金发生原位氧化，其Nb5Si3相生成非晶的SiO2和Nb-Ti-O的复合氧化物；Nb固溶体中Nb、Ti按照浓度不同生成Ti2Nb10O29和TiNb2O7。氧化后期，氧化膜增厚，氧化速度减慢，合金氧化产物的生成主要受热力学因素影响，导致有TiO2的生成。