题目：定向凝固Nb-Si-Ti合金组织和性能研究

Nb-Si基超高温合金具有高熔点、低密度以及优异的综合性能，其目标使用温度比Ni基高温合金提高200~300℃，有望应用于在1200~1400℃工作的燃气涡轮发动机叶片等热端部件。Nb-Si基超高温合金依靠硅化物Nb5Si3相在高温增强，铌基固溶体NbSS相在室温增韧，铬化物Cr2Nb相提供更好的高温抗氧化性能，以实现室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能的匹配。目前阻碍Nb-Si基超高温合金应用的主要问题是室温塑性较低、高温抗氧化性能较差，对Nb-Si基超高温合金的研究主要集中在合金化与制备工艺方面，试图通过合金化与组织优化进一步提高合金的室温塑性和高温抗氧化性能。Cr和Y对合金的组织性能有重要的影响。增大Cr含量可提高合金的高温抗氧化性能，并且能促使形成Nb5Si3，改变相组成；Y元素可细化合金组织、提高NbSS相的纯净度。但目前Cr、Y含量对凝固行为、组织特征和力学性能的影响规律还不清楚，影响了Nb-Si基超高温合金室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能的优化和匹配。而液态金属冷却定向凝固工艺，目前已经成为Nb-Si基超高温合金研究的重要制备方法，有效的改善了以往由于制备困难导致的组织不均匀、不可控以及冶金缺陷严重等问题。鉴于此，本文针对典型的Nb-Si-Ti合金，研究了定向凝固工艺对Nb-14Si-24Ti-(0,0.15)Y合金、Nb-14Si-24Ti-(2,8,10,14)Cr合金对定向凝固行为及组织特征与力学性能的影响，并在此基础上优选出Nb-14Si-24Ti-10Cr-2Hf-2Al-(0,0.1)Y合金和合适的定向凝固工艺和热处理工艺，获得了较为满意的室温力学性能。研究结果如下：(1)利用液态金属冷却定向凝固技术，研究了0.15Y对Nb-14Si-24Ti三元合金组织性能的影响，结果表明，Y元素添加使组织明显细化，同时在晶界上形成偏聚，钉扎晶界, 阻碍晶界的移动，提高了三元合金的压缩强度。Nb-14Si-24Ti-(0,0.15)Y合金组织主要由NbSS枝晶、 Nb3Si板条、 (NbSS+Nb3Si )共晶组织以及胞间富Ti区组成。 随着抽拉速率的增加，定向凝固态组织明显细化。热处理后合金中成分偏析部分消除，富Ti区基本消失，Nb3Si板条边界模糊，成为连续的基体，使合金的室温韧性减低。随着抽拉速率的提高，定向凝固合金及其热处理态合金的室温压缩强度基本呈上升趋势，同时由于Y元素强化晶界和细化合金组织的作用，Nb-14Si-24Ti-0.15Y合金在18mm/min时室温压缩强度达到最大值，为1472MPa。(2)利用液态金属冷却定向凝固技术，研究了Nb-Si-Ti-(2-14)Cr四元合金的凝固路径和组织特征，结果表明， Cr元素含量的变化会改变合金的凝固路径及相组成。Cr＜8at.%时，合金中硅化物相全部是Nb3Si；Cr≥8 at.%时，开始出现Nb5Si3相，且Nb5Si3含量随Cr含量增加而增加；Cr为14 at.%时，Nb3Si完全被抑制，硅化物相全部为Nb5Si3。同时，当Cr≥8 at.%时，开始出现Laves相Cr2Nb。由于Cr促进Nb3Si→NbSS+Nb5Si3共析反应的发生，与大块Nb3Si相比，这种共析组织有利于提高合金断裂韧性，因此随Cr含量的增加，合金室温断裂韧性提高。但Nb-Si-Ti-Cr四元合金中Cr含量达到一定程度会生成Laves相Cr2Nb，这种相对室温断裂韧性不利，因此14Cr合金的室温断裂韧性会急剧下降。经过1450℃/10h热处理后， Cr≤8at.%的合金中Cr2Nb相能完全被消除，而14Cr合金有Cr2Nb相残余，残余Cr2Nb相对室温断裂韧性有显著的不良影响。(3)通过对Cr和Y元素作用的研究，结合本课题组前期工作，优选出了Nb-14Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf-(0,0.1)Y多元合金，并针对该合金，研究定向凝固工艺(抽拉速率和过热温度)以及热处理工艺对合金显微组织和力学性能的影响。Nb-14Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf-0.1Y合金在定向凝固(1900℃+18mm/min)+热处理(1450 ℃/10h)后的室温断裂韧性和抗拉强度分别为22.1 MPa•m1/2和616.1MPa，该性能与目前已报道的室温力学性能最高的 MASC合金(Nb-16Si-25Ti-2Cr-2Al-8Hf)相当，但成本远低于MASC合金。合金定向凝固组织主要由初生Nb5Si3相，NbSS+Nb5Si3共晶组织以及深色的富(Ti，Cr)区(NbSS+Nb5Si3+Cr2Nb三相)组成。随着抽拉速率的增加，组织明显细化，深色区尺寸减小，该区分布的微裂纹减少。两种成分的合金经热处理之后，热处理组织主要由NbSS相和Nb5Si3相组成，Cr2Nb相在热处理过程中通过固溶而逐渐减少，在18mm/min试样中Cr2Nb相完全消除。NbSS相长大,相互连接；Nb5Si3相破碎，球化。18mm/min的试样中NbSS均连接成网状结构，Nb5Si3相呈沿定向方向排列的纤维状。在过热度为1900℃试样中，室温断裂韧性和抗拉强度随着抽拉速率的增加而增加。过热度增加，使得合金的流动性变好，组织缺陷减少，同时提高定向凝固中的温度梯度，因此过热度为1900℃的性能优于1750℃。同时由于Y元素强化晶界和细化合金组织的作用，使得热处理Nb-14Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf-0.1Y合金在过热度为1900℃，抽拉速率18mm/min时得到室温断裂韧性和抗拉强度的最大值。