● 摘要
Nb-硅化合物基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，极具潜力替代目前广泛应用的镍基合金。本文设计了一种新成分的过共晶Nb-硅化物基超高温合金，其名义成分为Nb-16Si- 24Ti-10Cr-2Al-2Hf。首先利用真空非自耗电弧熔炼设备制备母合金锭，然后采用液态金属冷却定向凝固炉制备定向态合金棒，抽拉速度分别为1.2, 6, 18, 36, 50mm/min。利用超高温高真空热处理炉对定向凝固试棒进行热处理，热处理工艺为分别在1400℃，1450℃和1500℃保温10小时。利用X射线衍射仪，扫描电镜，电子探针，能谱仪等仪器分析了定向凝固态Nb-16Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf合金的组成相，微观组织及其成分以及热处理后的组织变化规律。X射线衍射结果表明，电弧熔炼态Nb-16Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf合金由Nbss，α-Nb5Si3和Cr2Nb组成。合金经过较低抽拉速度 (1.2, 6, 18, 36mm/min)定向凝固后，合金的相组成为Nbss, α-Nb5Si3, γ-Nb5Si3和Cr2Nb，而抽拉速度为50mm/min时，相组成发生了变化，为Nbss, α-Nb5Si3和Cr2Nb。在较大的凝固速率范围内，定向凝固态Nb-16Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf合金稳定区的微观组织均为初生板条状Nb5Si3相，Nbss/Nb5Si3共晶和共晶胞间的Cr2Nb相。定向凝固合金的各组成相具有明显的方向性，初生相Nb5Si3板条边界平直，沿定向生长方向分布，其横截面近似为四边形，呈典型的小平面生长特点。Nbss则呈现树枝状生长的特点，二次枝晶较为发达。随着抽拉速度的增加，初生板条状Nb5Si3相宽度减小，长宽比增加，共晶胞中Nb5Si3相的体积分数增加。Nbss树枝晶明显细化，Nbss/Nb5Si3共晶团尺寸减小，共晶形貌也发生了较大变化。合金经过不同温度的热处理后，相组成依然是Nbss，Nb5Si3和Cr2Nb相。与定向凝固态相比，合金的微观组织发生了较大变化。经过1450℃/10h热处理后，初生板条状Nb5Si3相边界变得圆润，部分大块Nb5Si3相溶解破碎。共晶团中的Nbss和外侧相连成为基体，Nb5Si3也逐步发生球化、细化，成蠕虫状分布在Nbss基体上。合金中Cr2Nb相的体积分数达到最低，并弥散分布在Nbss基体上。1450℃/10h热处理后组织最优。