● 摘要
随着先进航空发动机向高推重比的发展，要求高压涡轮叶片等热端部件材料具有更高的承温能力。目前国际上研发的第五代镍基单晶高温合金的使用温度达到了1150℃（亦有报道达到1180℃），已接近其熔点的85%，因此迫切需要发展更高承温能力的结构材料。Nb-Si系超高温合金具有高熔点(1750℃以上)、低密度(6.6~7.2g/cm3 )和优良的高温强度，是一种有望成为使用温度达到或高于1350℃的超高温结构材料，受到广泛的关注。然而，室温塑性和韧性差是限制该合金应用的主要问题之一。
合金的微观组织结构与相结构是影响其室温塑韧性的重要因素。本论文研究工作着眼于微观组织结构与相结构的控制，系统的研究了Si含量对Nb-xSi-22Ti-3Cr-3Al-2Hf合金微观组织结构（组成相、相百分含量、尺寸、形貌和分布等）的影响规律；研究了不同种类微量合金化元素（Mg、Sr、Zr、Zn、B、P、Y、Ce）对合金显微组织结构的影响规律，并对组织结构与力学性能的相关关系进行了探索性研究；探讨了凝固工艺（电弧熔炼和定向凝固）对合金组织的影响规律。
揭示了宽Si成分范围内Si含量对Nb-xSi-22Ti-3Cr-3Al-2Hf合金的相组成、相对含量、尺寸、形貌和分布等微观组织结构的影响规律。随着Si含量的增加，合金发生了从单一的Nb基固溶体相（Nbss）→Nb3Si相在Nbss中析出→Nb5Si3相生成并伴随有Ti元素在Nbss和硅化物的界面偏析，形成富Ti的Nb5Si3相等相结构的变化；合金的显微组织形态经历了弥散硅化物相增强固溶体（Si含量为0.5at.%）、枝晶组织逐渐形成、硅化物含量逐渐增多并逐渐形成网状连通形态、典型的过共晶组织形态并伴随有大块初生硅化物相出现（Si含量：16~20at.%）的变化；随着Si含量的增加，合金的室温断裂韧性降低，高温强度提高。
揭示了添加Zn、Mg、B、Sr、Zr、Y、P、Ce等微合金化元素（0.2 at.%）对Nb-22Ti-3Si合金组织结构和力学性能的影响规律。Zn可以提高合金的室温断裂韧性、抗压强度和高温抗压强度，Mg、B可提高合金的室温/高温抗压强度，Sr可提高合金的显微硬度、室温断裂韧性、室温抗压强度，但降低合金的高温抗压强度，而Zr、Y、P、Ce则降低合金的室温断裂韧性和高温抗压强度。合金室温断裂韧性的提高主要是由于硅化物相的网状被破坏以及共晶组织的形成，而合金高温强度的提高主要是由于硅化物相体积百分含量的提高。
Sr、Y、B和Ce的添加对合金Nb-22Ti-3Si的两相界面结构均没有明显的改变，铌基固溶体和硅化物两相界面均较平直，且无与微合金化元素相关的化合物析出。发现Ce和B的添加促进了Ti元素在两相界面处的Nbss中偏析，导致Nbss中的Ti原子浓度从固溶体内部到两相界面处有一浓度梯度，使某些区域成分的Ti和Nb的原子比接近于1:3，从而在某些区域形成了有序固溶体，出现了超点阵结构。
制备工艺对Nb-Si系超高温合金的组织和性能的有重要影响。定向凝固可以显著改善合金的微观组织，促进Nb3Si向Nb5Si3的转变，抑制凝固过程中大块状初生Nb5Si3相的生成；Si含量的增加可以促进α-Nb5Si3相和γ-Nb5Si3相形成，凝固组织表现出更强的方向性，显著提高了合金的室温断裂韧性和室温压缩强度；相对于熔体自然对流的凝固工艺，上、下试棒相对旋转的凝固方式可以有效的消除凝固界面前沿的有害相HfO2和Ti5Si3，也对韧性和强度提高有利。