● 摘要
实验采用非自耗真空电弧熔炼的方法制备了Nb-16Si-20Ti-xCr ( x = 0 ~ 20 ) 系列合金。运用X射线衍射 (XRD)、扫描电镜 (SEM) 、能谱仪 (EDS) 和电子探针 (EPMA)等方法研究了合金的铸态及热处理后的微观组织和相组成；采用三点弯曲试验测试了热处理后合金的室温断裂韧性。文中分析了合金元素Cr对Nb-Si-Ti合金相平衡、相稳定性、微观组织和室温断裂韧性的影响，为探索多元Nb-Si系金属间化合物基超高温结构材料提供了有益的参考。Nb-16Si-20Ti-xCr ( x = 0 ~ 20 ) 合金成分位于Nb-Si合金二元相图中Si含量为18.7at.%的共晶点附近。X射线衍射分析的结果表明，Nb-16Si-20Ti-xCr ( x = 0 ~ 20 )合金的组成相有Nb基固溶体NbSS，化合物Nb3Si、α-Nb5Si3和C14 Laves相。研究发现，Nb-16Si-20Ti- ( 0, 3, 5 ) Cr铸态合金均由Nbss和Nb3Si两相组成。随着合金中Cr含量的提高，Nb-16Si-20Ti-xCr ( x = 0 ~ 20 ) 合金的相组成和微观组织发生改变。当Cr含量达到7 at.%时，合金中开始出现C14 Laves相，并且合金铸锭的底部开始析出-Nb5Si3相。而当Cr的含量达到9 at.%时，合金中的初生硅化物相由Nb3Si转变为-Nb5Si3相。结果表明，Cr抑制了合金中Nb3Si 相的产生，转而从液相中直接析出-Nb5Si3 相。对含有Nb3Si相的合金进行不同温度的退火处理后发现，Nb-16Si-20Ti- ( 3, 5, 7 ) Cr 合金中的Nb3Si相在1000 °C以下保持稳定，直至1200 °C开始发生转变。从动力学上看，Nb3Si相的共析分解不易进行，经过了1200 °C 200h的热处理，仍有未分解的Nb3Si相。当提高退火温度至1300 °C，经过100h的保温，Nb-16Si-20Ti- ( 3, 5, 7 ) Cr 合金中的Nb3Si相完全转变。对Nb-16Si-20Ti-xCr ( x = 0 ~ 20 ) 合金进行1300 °C 100h的热处理后发现，Nb-16Si-20Ti合金中的Nb3Si相保持了稳定，而含有Cr的合金中Nb3Si相均完全分解，转变为片层状的Nb固溶体和α-Nb5Si3相共析组织。本文的研究结果表明，Ti不利于Nb3Si相的分解，而Cr能够促进Nb3Si相的共析转变。采用三点弯曲试验测试了Nb-16Si-20Ti-xCr ( x = 0 ~ 20 ) 合金经过1300 °C 100h热处理后的室温断裂韧性。结果表明，Nb-16Si-20Ti合金由Nbss和Nb3Si两相组成，合金的室温断裂韧性很差。而Nb-16Si-20Ti- ( 3, 5, 7 ) Cr合金中的Nb3Si相经过共析反应转变为Nb固溶体和α-Nb5Si3相的片层共析组织，有效地改善了合金的室温断裂韧性，室温断裂韧性较Nb-16Si-20Ti合金有显著提高。而当Cr的含量超过7 at.%时，合金中的α-Nb5Si3相随着Cr含量的增加而变得粗大，C14 Laves相也随之增加，合金的室温断裂韧性随Cr的含量增加而降低。