● 摘要
近年来航空工业的发展对航空发动机的推重比要求不断提高，结构材料的服役温度条件不断提高。目前先进航空发动机的涡轮前温度达到1800℃，通过气膜冷却、涂层等方法降温后，叶片材料的表面温度接近镍基高温合金材料的最高使用温度极限。由于Nb/Nb5Si3复合材料具有密度低、熔点高、高温力学性能优异等特点，具有极大的潜力成为下一代高温结构材料。本文以Nb56.71-Ti16.51-Hf18.95-Cr1.34-Al0.68-Si5.81(质量比)成分的元素混合粉末为原料采用逐层铺粉熔化沉积的方法沉积成形Nb-Si基合金。研究了激光熔化沉积成形Nb-Si基合金的激光熔化沉成形工艺、Nb-Si合金的组织特点及其形成规律、显微硬度、压缩性能、断裂韧性、热处理以及抗氧化性能。
1. 本文以元素混合粉为原料，采用逐层铺粉熔化沉积的方法，在激光功率为1500W，激光扫描速度为800mm/min，氩气保护气氛下，成功沉积成形出具有40mm×45mm×12mm尺寸的、表面无明显裂纹的Nb-Si基合金。
2. 激光熔化沉积成形的Nb-Si基合金内部致密，但成形试样顶端和表面附近存在气孔，厚度小于等于5mm的薄壁板试样上存在比较明显的裂纹，成形试样内部存在未熔化的Nb颗粒。由XRD确定成形的Nb-Si基合金由Nbss相、Nb3Si相、Nb5Si3相和HfO2相组成。成形Nb-Si基合金组织不均匀，存在具有定向特征的组织形貌、包含“王”字形或六边形形貌的组织形貌、共晶组织形貌、有一定取向的共晶组织形貌、放射状组织形貌等五种组织。其中具有定向特征的组织和包含“王”字形或六边形形貌的组织是同一种组织不同金相剖面观察的结果。其中以共晶组织和具有定向特征的组织为主。HfO2相在显微组织中以白色圆点形式均匀分布在组织中；Nb5Si3相在显微组织中以深灰色“王”字形或六边形形式存在。
3.具有定向特征的组织由初生相Nb5Si3相、Nbss, Nb3Si和Nb5Si3共晶组成，形成机制是由于在熔池底部晶粒的外延生长造成的；共晶组织是由Nbss相、Nb3Si相、Nb5Si3相组成，是液相成分在亚共晶成分范围内，快速冷却发生非平衡凝固形成的伪共晶组织。放射状组织以未熔化的Nb颗粒为核心，四周放射状组织类似于定向特征的组织。该种组织以未熔化的Nb颗粒为形核核心凝固生长。
4. 1400℃/100h的长时间保温不能使Nb3Si相完全分解，并且没有使Nb-Si基合金的组织均一化。保温50h时，Nbss相和Nb5Si3相发生Ostwald熟化，组织中Nbss相和Nb5Si3相发生明显的粗化。
5.激光熔化沉积成形试样的显微硬度为580（Hv）,抗压强度为1290MPa，断裂韧性为5 MPa·m1/2，断裂方式为脆性解理断裂。1400℃热处理随保温时间的增加，组织中Nbss尺寸增大，合金塑性增加，显微硬度呈增大趋势，抗压强度下降。
6. 800℃氧化12小时试样增重量为3.41×10-5g/mm2，1200℃氧化12小时试样增重量为3.09×10-4g/mm2。Nb-Si合金氧化过程中没有形成保护性的氧化皮。由于成形试样缺陷较多且组织不均匀，导致合金抗氧化性差。