● 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，极具替代现有镍基合金作为未来发动机超高温部件材料的潜力。为了寻求Nb-Si基超高温合金室温韧性和高温强度之间的平衡，本文中设计了具有Nb基固溶体相Nbss、Nb/Si化合物(Nb)5Si3和Laves相Cr2Nb三相组成的Nb-16Si-22Ti-2Al-(2,6,10,14,17)Cr-(2,6)Hf合金。探讨了Cr、Hf含量和不同热加工工艺对于合金显微组织、断裂韧性、室温及高温强度的影响规律，结果表明：1.铸态下，Nb-16Si-22Ti-2Al-(2,6,10,14,17)Cr-(2,6)Hf合金的组织主要由四相组成：Nbss、(Nb)3Si、(Nb)5Si3和Cr2Nb；热处理后，合金主要由三相组成：Nbss、 (Nb)5Si3和Cr2Nb相。2.Nbss中，Si含量很少，Cr饱和含量为14at.%；(Nb)5Si3中Al，Cr含量很少；在高Cr合金中出现的(Cr)2Nb相中，Ti存在富集现象，但含量随Cr含量的提高而降低。3.对于200g电弧熔炼炉制备的试样，1375℃，100h热处理后比热处理前的室温断裂韧性提高幅度在15%~27%之间。随着Cr含量的提高，铸态和热处理态试样的室温断裂韧性呈现下降趋势。Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-2Hf成分合金表现最好，铸态下KQ为11.81 MPa•m1/2，热处理态KQ为14.32MPa•m1/2。4.1375℃，100h热处理后试样高温压缩强度随测试温度升高而降低。1250℃和1350℃下，随着Cr含量的提高，σ0.2基本上表现出逐渐下降的趋势；这是由于Cr含量的提高导致合金材料熔点的下降，测试温度越接近材料熔点，含Cr量高的材料高温压缩强度下降越大。Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-2Hf合金高温强度最高，1250℃下σ0.2为321MPa，1350℃下σ0.2为306MPa。5.对于5kg电弧熔炼炉制备的Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-2Hf和Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-6Hf合金，相组成一致。最佳热处理温度分别为1500℃和1600℃。通过对电弧熔炼制备的Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-2Hf和Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-6Hf合金进行定向凝固，从组织定向方面看，15mm/h的生长速率比5mm/h更有利于控制共晶两相组织的生长方向，组织定向效果明显，但其中仍存在其它生长方向的共晶组织。6.5mm/h定向凝固并1500℃热处理后，Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-2Hf合金室温断裂韧性为13.08 MPa•m1/2，1250℃及1350℃高温下屈服强度分别为464MPa、253MPa；Nb-16Si-22Ti-2Al-2Cr-6Hf合金合金室温断裂韧性为20.33 MPa•m1/2，1250℃及1350℃高温下屈服强度分别为455MPa、255MPa。定向凝固并热处理1500℃后-16Si-2Cr-6Hf合金具有最佳的韧性和高温强度的配合。