题目：Nb-Si多元合金的抗氧化性能研究

Nb-Si基超高温合金以其高熔点、低密度、良好的高温强度等优点受到广泛关注，有潜力取代Ni基高温合金用于新一代高性能航空发动机涡轮叶片等热端部件。制约其应用的关键性因素之一是高温抗氧化性能差。探讨改进Nb-Si基超高温合金抗氧化性能的有效途径、合金元素对抗氧化性能的影响规律和机理，对于推进Nb-Si基超高温合金的发展和应用具有重要意义。

合金化是改善高温合金抗氧化性能的重要措施之一。本文以电弧态Nb-20Si-24Ti-13Cr-2Al-2Hf六元合金为基础，通过添加5at.%的Ge替换Si (Nb-15Si-24Ti-13Cr-2Al-2Hf-5Ge)，添加3at.%的Fe替换Cr (Nb-15Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf-5Ge-3Fe)，研究Ge和Fe对于Nb-Si合金的显微组织变化的影响规律，分析了三种合金在1200℃、1250℃下的高温抗氧化行为，以探究Ge、Fe对于Nb-Si合金高温抗氧化性能的影响。结果发现：

Nb-20Si-24Ti-13Cr-2Al-2Hf合金的显微组织由NbSS、α-Nb5Si3和Cr2Nb相组成。以5at.%Ge替代Si后，Nb-15Si-24Ti-13Cr-2Al-2Hf-5Ge合金的显微组织为NbSS、β-Nb5(Si,Ge)3和Cr2Nb相组成。Ge倾向固溶于Nb5Si3中，取代晶格中Si原子，引起硅化物相由α-Nb5Si3转变为β-Nb5(Si,Ge)3。以3at.%Fe替代Cr后，Nb-15Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf-5Ge-3Fe合金的显微组织由NbSS、β-Nb5(Si,Ge)3和(Cr,Fe)2Nb相组成，Fe偏向固溶于(Cr,Fe)2Nb相，参与形成(Cr,Fe)2Nb相。

比较三种合金的高温抗氧化性能：Nb-15Si-24Ti-13Cr-2Al-2Hf-5Ge最好，Nb-15Si-24Ti-10Cr-2Al-2Hf-5Ge-3Fe次之，Nb-20Si-24Ti-13Cr-2Al-2Hf最差。三种合金的高温氧化行为均符合抛物线氧化规律。5at.%Ge替换Si提高了合金的抗氧化性，但3at.%Fe替换Cr弱化了Ge替代Si对合金抗氧化性能的提高作用。

三种合金在1200℃和1250℃下的高温氧化产物均为Nb2O5、CrNbO4、Ti2Nb10O29、SiO2。CrNbO4、Ti2Nb10O29在最外层形成保护性氧化膜，降低了合金表面的内应力；Nb2O5以棒状形态分布在表层下方；而具有流动性的非晶态SiO2存在于表面氧化膜中，使得合金的氧化膜可以自我愈合，抗氧化能力有所提高。5at.%Ge替换Si后，合金的氧化膜致密，表面平整度、完整性提高，氧化膜剥落程度、横向裂纹及孔洞减少，氧化物中CrNbO4比例增加。氧化膜下方形成了富Ge贫Cr层，提高了氧化膜与基体粘附性，阻碍了O扩散进入合金内部。再以3at.%Fe替换Cr后，合金氧化膜表面平整度有所下降，出现颗粒状氧化物，可能产生局部应力导致孔洞的增加。富Ge贫Cr层仍含有Fe，即Fe的存在弱化了富Ge层对合金元素的隔离作用，从而导致了合金抗氧化性能的弱化。