● 摘要
Nb-Si基合金具有高熔点(2520℃)、高刚度、低密度(7.1g/cm3)以及较高的高温强度，是最具潜力替代现有镍基高温合金的超高温结构材料之一。
与凝固技术相比，粉末冶金技术可以控制合金的相尺寸、体积分数以及显微组织，有利于提高合金性能。本文采用粉末冶金工艺，分别以多元NbSS、Nb5Si3和Cr2Nb预合金化相粉末以及Nb-Si-Ti-Al-Hf-Cr六元预合金粉末为原料，制备了Nb-Si-Cr基合金。通过对试样显微组织、相组成和成分分析及其室温断裂韧性、显微硬度、高温强度和抗氧化性能的测试，系统研究了合金元素、粉末粒度、组织形貌以及烧结方法与工艺等对Nb-Si-Cr基合金组织及性能的影响。
分别以含Ti和不含Ti的预合金化NbSS、Nb5Si3和Cr2Nb相粉末为原料，添加的合金化元素还有Cr、Al、W和Hf ，经SPS制备得到了两种具有相同相比例的NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金（NbSS:Nb5Si3:Cr2Nb=40:40:20 (vol.%)），对其组织和性能进行了研究。结果表明：合金显微组织呈现脆性相（Nb5Si3、Cr2Nb相）岛状分布在NbSS基体上。三点弯曲试样断口由河流花样和光滑平面组成，表明NbSS以准解理方式断裂，Nb5Si3相和Cr2Nb相以脆性方式断裂。对比两种合金性能发现，Ti合金化能提高NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金的断裂韧性和显微硬度，但同时会对合金的高温强度产生不利影响。其中含Ti的NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金的断裂韧性值为6.8 MPa·m1/2，1250℃高温强度为230MPa，而不含Ti的NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金的断裂韧性值为5.15 MPa·m1/2，1250℃压缩强度为443MPa。
以平均尺寸为2.1μm和4.9μm的两种Nb-Si-Ti-Al-Hf-Cr六元预合金粉末为原料，分别采用反应热压烧结（HPS）和放电等离子烧结（SPS）制备了成分为Nb-18Si-24Ti-2Al-2Hf-2Cr的合金。研究结果表明：烧结后合金显微组织均由Nbss+Nb5Si3两相组成，其中Nb5Si3以颗粒状分布在NbSS相基体上。采用较小尺寸粉末为原料经SPS制备得到的合金三点弯曲断口出现典型韧窝形貌，具有较高的断裂韧性值，达14.56 MPa·m1/2。原料粉末尺寸较小，有利于合金的断裂韧性、显微硬度和高温强度。采用HPS工艺时，较有利于合金的高温强度和高温抗氧化性能，较小尺寸粉末为原料经HPS制备的合金在1250℃压缩强度为224MPa，氧化50h的氧化增重为130mg/cm2。