题目：粉末冶金制备Nb-Si基合金的组织及性能

Nb-Si基合金具有高熔点、高刚度、低密度以及优异的高温强度，是最具潜力替代现有镍基高温合金，承温能力达到1200~1400 ºC的超高温结构材料，在新一代高推比航空发动机和高比冲火箭发动机动力装备等超高温领域有广泛的应用前景。超高温结构材料需要其在室温韧性、高温强度和高温抗氧化性等性能达到匹配。Nb-Si合金的基本相组成是具有延性的Nb基固溶体NbSS，坚硬并在1600~1800 ºC下热动力学稳定的金属间化合物Nb5Si3，以及高温抗氧化相Laves Cr2Nb，通过NbSS、Nb5Si3和Cr2Nb三相适当组合和合金化，有望获得室温韧性、高温强度和高温抗氧化性匹配的超高温结构材料。优化三相组织形态及化学成份是达到理想性能配合的关键。

与传统的凝固技术相比，粉末冶金技术能更好的控制合金中相尺度、比例、形态和分布等，有望实现组织控制，获得优化组织，提高合金综合性能。本文应用粉末冶金技术制备Nb-Si基合金，系统研究了相粉末的体积分数、粉末粒度及形貌以及合金化等因素对Nb-Si基合金组织和性能的影响规律和机理。

以不同比例的纯Nb粉末、二元Nb5Si3相粉末和二元Cr2Nb相粉末为原料，经放电等离子烧结（SPS）工艺制备了具有不同相体积分数的Nb/Nb5Si3两相合金（Nb-Si二元体系）和Nb/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金（Nb-Si-Cr三元体系），研究了相体积分数对合金性能的影响规律和机理。研究发现，随Nb5Si3或（Nb5Si3+Cr2Nb）体积分数（vol.%）的增加，Nb-Si基合金的高温强度（1150~1350 ºC）几乎呈线性递增趋势，室温断裂韧性则呈逐渐下降趋势，而当Nb含量﹤70 vol.%时，其断裂韧性值随Nb相含量变化不敏感；对于Nb/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金，氧化增重速率随Nb相含量减少，Cr2Nb含量增加而逐渐降低。三点弯曲试验的裂纹扩展及断口分析表明：当裂纹与Nb相遇时，发生桥接、分叉、绕过、偏折等韧化机制，对韧性有益，Nb相本身以准解理断裂形式发生破坏；当裂纹与Nb5Si3和Cr2Nb相相遇时，无间断地穿过Nb5Si3和Cr2Nb相，Nb5Si3和Cr2Nb相发生脆性断裂。高温压缩条件下，Nb5Si3相和Cr2Nb相以开裂和坍塌形式发生破坏，Nb未发现有明显的损伤，这是Nb/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金高温失效的主要机制。高温氧化条件下，Nb含量较高合金的氧化层和合金基体中存在大量与合金表面平行的微裂纹，氧化速率较快，氧化产物以Nb2O5为主；而Cr2Nb含量高的合金，氧化层与基体之间存在连续致密的CrNbO4氧化层，具有较低的氧化速率。

研究了Nb和Nb5Si3粉末粒度（Nb：83.8，37.4，4.9 μm；Nb5Si3：86.4，43.6，2.9 μm）对SPS制备的Nb-16Si合金（Nb和Nb5Si3体积比为6:4）显微组织及断裂行为影响。当Nb5Si3相粉末尺寸（Nb5Si3：2.9 μm）较小时，Nb5Si3相倾向于连续网络状分布，裂纹主要沿该相扩展，合金的断裂韧性较低，仅5.3~8.0 MPa·m1/2；当Nb5Si3粉末尺寸较大（Nb5Si3：86.4或43.6 μm）时，Nb5Si3相岛状分布在Nb相基体中，此时合金的断裂韧性较好。以最小的尺寸的Nb粉末（Nb：4.9 μm）和最大尺寸的Nb5Si3粉末（Nb5Si3：86.4 μm）为原料制备得到的Nb-16Si合金中Nb相由大晶粒时的准解理断裂方式转变为解理、撕裂、韧窝混合断裂方式，其断裂韧性值（12.4 MPa·m1/2）最高，达到目前报道的Nb-16Si二元合金的最高水平。

从上述韧性良好的组织（小尺寸Nb粉末配以大尺寸Nb5Si3和Cr2Nb相粉末）出发，对Nb-Si合金体系进一步开展合金化研究，先以Ti为主要合金元素制备了多元Nb固溶体合金粉末（D50≈8.6 μm）、多元Nb5Si3（D50≈22.1 μm）和多元Cr2Nb粉末（D50≈23.5 μm），再通过SPS制备了多元NbSS/Nb5Si3两相合金（成分约为：Nb-16Si-25Ti-2Al-2Hf-7Cr）和多元NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金（成分约为：Nb-18Si-21Ti-1Al-3Hf-16Cr）。其显微组织均呈Nb5Si3或Nb5Si3+Cr2Nb相以岛状形态分布在具有细小晶粒的NbSS基体上。经Ti等元素合金化后的NbSS相出现了更加细小的韧窝，极大提高了合金的室温断裂韧性。NbSS/Nb5Si3两相合金（NbSS和Nb5Si3体积比为6:4）和NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金（NbSS、Nb5Si3和Cr2Nb体积比为4:4:2）的断裂韧性分别达到了15.0和11.3 MPa·m1/2。与相近相比例的二元Nb-Si和三元Nb-Si-Cr合金相比，合金的综合性能（室温韧性、高温强度和高温抗氧化性）得到明显改善。Nb-Si基合金的优化成分组织是：Ti合金化+细小晶粒Nb相基体+岛状分布的强化相（Nb5Si3）和抗氧化相（Cr2Nb）。