论文部分内容阅读
Nb-Si基超高温合金具有熔点高、密度低和高、低温力学性能优良等特点,成为一种有潜力在1200~1450℃温度范围内使用的高温结构材料。目前,限制该合金取得实际应用的瓶颈为其高温抗氧化性能较差。为了使该合金的室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能达到均衡,需要合理控制合金的成分、组织及各相的体积百分比。因此在Nb-Si基合金的基础上引入合金化元素Ti、Hf和高含量的Cr,形成了新型的Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金。该合金由Nbss、硅化物和Cr2Nb相组成,其中Nbss相保证合金的室温韧性,硅化物提供高温强度,Laves相Cr2Nb提高合金高温抗氧化性能但使合金的室温断裂韧性降低。为了使合金的室温断裂韧性、高温强度和高温抗氧化性能达到最佳匹配,对组织形貌必须进行优化。本文主要探讨电弧熔炼、有坩埚整体定向凝固和高温热处理对Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金组织和室温力学性能的影响。采用真空自耗电弧熔炼法制备Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金母合金锭,分析了该合金锭在不同位置的成分分布、相组成和组织形貌变化规律;对合金进行有坩埚整体定向凝固,揭示了熔体温度对定向凝固组织形貌的影响规律;探讨了定向凝固试样在不同位置的组织形貌变化规律,研究了抽拉速率对合金组织和固/液界面形貌的影响及凝固组织形成机理。为了消除Nb-Ti-Cr-Si基合金在凝固过程中形成的成分偏析和亚稳相,进行了高温热处理。研究了电弧熔炼和定向凝固合金经高温热处理后的相组成、组织形貌、元素固溶倾向和显微硬度的变化规律;测试了电弧熔炼态和定向凝固合金的室温断裂韧性,揭示了抽拉速率对合金室温断裂韧性的影响规律,分析了合金的断裂机制。取得了以下主要结果:采用真空自耗电弧熔炼法制备的Nb-Ti-Cr-Si基超高温合金的母合金锭成分分布均匀,只有母合金锭顶部靠近中心处的Cr含量较低。母合金锭的显微组织主要由初生Nbss、层片状或花瓣状的Nbss/(Nb,X)5Si3(X表示Ti,Hf,Cr等元素)共晶组织及细小Nbss/Cr2Nb共晶团组成,但在母合金锭的顶部靠近中心处出现了少量块状的(Nb,X)3Si。母合金锭从边缘到中央的组织形貌有明显变化:初生Nbss由细小逐渐粗大,Nbss/(Nb,X)5Si3共晶组织的定向特征逐渐消失。Nbss/Cr2Nb共晶团始终位于初生Nbss和Nbss/(Nb,X)5Si3共晶之间。熔体温度为1950℃时合金有坩埚整体定向凝固组织的定向效果优于熔体温度为1900℃的,因此1950℃为合适的整体定向凝固熔体温度。随抽拉速率升高,定向凝固的组织形貌发生明显变化。当抽拉速率为2.5~5μm/s时,组织由Nbss、Nbss/(Nb,X)5Si3共晶和α-Ti组成,而且在初生相Nbss基体上出现密集的Cr2Nb析出相。当抽拉速率为10μm/s时定向凝固组织由Nbss、Nbss/(Nb,X)5Si3共晶和块状Cr2Nb组成。当抽拉速率为20~100μm/s时,合金组织由Nbss、Nbss/(Nb,X)5Si3共晶和(Ti,Nb)ss/Nb3Si/Cr2Nb共晶组织组成。随抽拉速率增加,定向凝固组织细化,(Nb,X)5Si3的连续性变差,使Nbss/(Nb,X)5Si3共晶的体积百分数减少。固/液界面附近的组织由树枝状的Nbss、细小Nbss/(Nb,X)5Si3共晶团和(Ti,Nb)ss/Nb3Si/Cr2Nb共晶团组成;随着抽拉速率提高,Nbss由粗变细,其形貌转变为树枝状。经高温均匀化和高温均匀化+时效复合处理后合金的组织仍由Nbss、(Nb,X)5Si3和Cr2Nb相组成,但经1500℃/24h和1500℃/24h+1000℃/24h处理后合金的组织中出现了HfO2。随着均匀化处理温度的升高,原电弧熔炼态合金中树枝状Nbss转变为等轴状Nbss,Nbss/(Nb,X)5Si3共晶形貌逐渐消失,转变为小块状(Nb,X)5Si3分布于Nbss基体上。随热处理温度的升高,原富Ti的Nbss/Cr2Nb共晶组织形貌消失,取而代之的是,针状形貌的Cr2Nb分布在Nbss基体上,最后长大成块状形貌的Cr2Nb。经1300~1400℃均匀化处理后,原Cr2Nb发生溶解,取而代之的是在初生相Nbss基体上析出了十字交叉的析出相。在1500℃均匀化处理后Cr2Nb分布于Nbss与(Nb,X)5Si3界面处,而且在Nbss基体上析出了细小的沉淀相。经高温均匀化处理后,在Nbss中Ti和Cr的含量变化明显,其中Ti在Nbss中的含量随热处理温度的升高呈现下降的趋势,而Cr在Nbss的含量先增加后减小再增加。经高温均匀化+时效处理后,在Nbss基体上析出了更加细小的Cr2Nb沉淀相,而Nbss中Cr含量大幅减少。高温热处理过程中Nbss的显微硬度变化较小,经均匀化+时效复合处理后试样的显微硬度大于单独经均匀化处理的。经1300℃/24h+1000℃/24h处理后试样的显微硬度达到最高。定向凝固合金经高温热处理后,组织均由初生相Nbss和Nbss/(Nb,X)5Si3共晶组成,Cr2Nb相全部溶解,取而代之的是初生相Nbss基体上析出了细小致密的Cr2Nb;在Nbss中的Ti和Cr含量随抽拉速率的增大而增加。经高温热处理后,Nbss的显微硬度随定向凝固抽拉速率的升高先下降后增加,而(Nb,X)5Si3的显微硬度随抽拉速率的升高呈现上升的趋势。在抽拉速率为10和20μm/s时,定向凝固合金的室温断裂韧性高于电弧熔炼态的,而抽拉速率为50和100μm/s时,定向凝固合金室温断裂韧性低于电弧熔炼态的。随着抽拉速率的升高,定向凝固合金的室温断裂韧性降低。抽拉速率为10μm/s合金的室温断裂韧性值最高,达到17.4MPa.m1/2。电弧熔炼态合金的室温三点弯曲断口表明,其断裂模式为准解理断裂;而定向凝固合金的断裂模式较为复杂,为准解理断裂和沿晶断裂的复合断裂机制。电弧熔炼态合金的平均室温拉伸强度值为378.7MPa,其断裂模式为脆性断裂。