Hf、B和Cr对Nb-Si基超高温合金组织和性能的影响

发布时间：2018-02-08 16:01

  本文关键词： Nb-Si基超高温合金 合金化 组织 抗氧化性能 室温断裂韧性 硬度 高温压缩 硅化物 铌基固溶体　出处：《西北工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：航空技术的发展要求发动机具有更高的推重比,也即要求其涡轮叶片材料能承受更高的温度和拥有更优异的力学及抗腐蚀性能。由于Nb-Si基超高温合金具有高熔点、低密度及较好的室温、高温力学性能等特点,有望成为下一代飞机发动机用高温结构材料。然而,其较差的抗氧化性能限制了这些合金在航空等领域的应用。合金化是提高Nb-Si基超高温合金的综合性能、尤其是高温抗氧化性能的重要手段。近年来,有关Hf、B和Cr合金化的研究已有大量报道,但主要集中在三元或四元等简单的Nb-Si基体系中,且对元素之间的复合作用及成分优化等方面的研究尚存不足。从优化合金综合性能出发,系统研究Hf、B和Cr合金化特别是其复合作用对于开发新型Nb-Si基超高温合金并尽早实现其应用具有十分重要的意义。本文主要研究内容和结果如下:采用真空非自耗电弧熔炼法制备了十五种多元Nb-Si基超高温合金,其名义成分为 Nb-22Ti-16Si-3Al-xHf-.yB-zCr(at.%),在 1450℃保温 50 h 对合金进行均匀化处理,研究Hf、B和Cr合金化及其复合作用对Nb-Si基超高温合金相选择、相稳定、相转变、非平衡及平衡组织的影响。结果表明:B或Cr均能促进过共晶组织的形成,而Hf对合金的共晶点几乎没有影响。单独添加Hf或B将完全抑制β(Nb,X)5Si3("X"代表Ti,Hf和Cr等元素)的形成并促进α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3的形成,同时添加Hf和B则会极大地促进γ(Nb,X)5Si3的形成。添加Cr对5-3型硅化物的晶型没有影响。同时添加Hf和Cr将促进含Cr2(Nb,X)三相共晶组织的形成。经1450℃/50 h热处理后,在不含Hf和B的合金中β(Nb,X)5Si3完全转变为α(Nb,X)5Si3,而在只含Hf的合金中也发生了 α(Nb,X)5Si3向γ(Nb,X)5Si3的转变。在不含Hf和B的合金中为Nbss和α(Nb,X)5Si3两相平衡,在只含Hf或B的合金中为Nbss、α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3三相平衡,而在同时含Hf和B的合金中则为Nbss和γ(Nb,X)5Si3两相平衡。此外,在B存在的情况下,较低的Ti或(Ti + Hf)含量也可稳定y(Nb,X)5Si3。随着合金中Hf含量的增加,初生硅化物的含量没有明显变化。当Hf含量较低时(2at.%),合金中的硅化物为α(Nb,X)5Si3和γ(Nb.X)5Si3,而当Hf含量增加至4和8 at.%时,则仅为γ(Nb,X)5Si3。增加B含量至5和10 at.%不仅进一步促进了 γ(Nb,X)5Si3的形成,还促进了(Nb,X)3Si的形成,且初生硅化物及含Cr2(Nb,X)三相共晶的含量均随合金中B含量的增加而增加。含5和10 at.%B的合金在热处理过程中还会发生(Nb,X)3Si → Nbss + γ(Nb,X)5Si3共析转变。添加高含量的Cr(10at.%)仍然不会影响5-3型硅化物的晶型(其仅为y(Nb,X)5Si3),但却会明显促进含Cr2(Nb,X)三相共晶的形成,且初生硅化物的含量随合金中Cr含量的增加而增加。热处理后,在Cr含量较低(小于5 at.%)的合金中不再观察到Cr2(Nb,X)相,而在Cr含量较高(10 at.%)的合金中则出现了 Nbss、γ(Nb,X)5Si3和Cr2(Nb,X)的三相平衡组织。对十五种电弧熔炼态合金在1250℃静态空气中进行了 1或50 h的氧化,以研究Hf、B和Cr合金化及其复合作用对Nb-Si基超高温合金高温抗氧化性能的影响。结果表明:在1250℃氧化1或50 h后,所有合金的氧化膜均发生脱落。氧化膜存在明显的分层结构(即外层和内层),且在合金表面还可观察到内氧化区。氧化膜外层主要由TiNb207、(Ti,X)02和无定形硅酸盐颗粒构成,内层主要由Ti2Nb10029、Ti02、Nb205、Hf02、无定形硅酸盐及未被氧化的硅化物构成,而内氧化区中的氧化物则主要为T1O2和HfO2。未添加Hf、B和Cr的合金的抗氧化性能最差,单独添加Hf可轻微改善合金的抗氧化性能(基于活性元素的动态偏聚理论)。添加B或Cr可以通过增加硅化物的含量、提高氧化膜的致密性、降低氧化膜内层的厚度及其所占的比例以及促进内氧化区中Ti的选择性氧化等方式改善合金的抗氧化性能,添加Cr还会明显促进氧化膜中(Ti,X)02的形成。同时添加B和Cr的合金比单独添加B或Cr的合金具有更好的抗氧化性能,且增加B或Cr含量会进一步提高合金的抗氧化性能。在B或Cr存在的情况下,添加Hf会降低氧化膜的致密性并增加其脆性,同时还将增加氧化膜内层的厚度及其所占的比例,抑制内氧化区中Ti的选择性氧化并促进Hf02的形成,从而使合金的抗氧化性能明显降低。而在B和Cr同时存在的情况下,添加少量的Hf(2 at.%)可轻微改善合金的抗氧化性能,而随着合金中Hf含量的增加(特别是增加至8 at.%时),合金的内氧化明显加剧,从而使其抗氧化性能又有所下降。对十五种合金在电弧熔炼态或热处理后进行了三点弯曲实验及硬度测试,以研究Hf、B和Cr合金化及其复合作用对Nb-Si基超高温合金室温断裂韧性、显微硬度及宏观硬度的影响;对不同Hf含量的合金进行了 1250℃的高温压缩测试(应变速率为5 × 10-3 s-1),以研究Hf含量对合金高温压缩性能的影响。结果表明:添加Cr降低合金的室温断裂韧性。单独添加Hf或B使合金的室温断裂韧性降低,而同时添加Hf和B对其没有明显影响。增加B含量至5和10 at.%或Cr含量至10 at.%均使合金的室温断裂韧性进一步降低。在B和Cr存在的情况下,合金的室温断裂韧性随合金中Hf含量的增加呈现出增加的趋势,且当Hf含量较高时(8 at.%),其提高的幅度更大。γ(Nb,X)5Si3、α(Nb,X)5Si3、β(Nb,X)5Si3的硬度依次降低。由于具有较高的B含量,(Nb,X)3Si的硬度明显高于(Nb,X)5Si3。热处理后,(Nb,X)5Si3的硬度轻微降低,而(Nb,X)3Si的硬度则有所增加。含Cr合金的宏观硬度及其共晶组织的硬度比不含Cr合金中的高,且增加B含量至5和10 at.%或Cr含量至10 at.%均使合金的宏观硬度增加。初生γ(Nb,X)5Si3和共晶组织的硬度,以及合金的宏观硬度均随合金中Hf含量的增加而增加,且当Hf含量较高时(8 at.%),增加更明显。热处理后,含Hf合金的宏观硬度明显降低(特别是在不含Cr的情况下)。另外,添加少量的Hf(2和4 at.%)可通过固溶强化作用增加合金的高温压缩强度。然而,由于合金、特别是γ(Nb,X)5Si3的严重脆化,添加较高含量的Hf(8 at.%)又会使其高温压缩强度明显降低。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG132.3

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 李惠萍;发动机用耐高温合金[J];中国钼业;2000年01期

2 李惠萍;新型耐高温合金[J];中国钼业;2003年03期

3 李有观;新型耐高温合金[J];世界有色金属;2004年05期

4 李连清;高温合金超塑切削[J];宇航材料工艺;2005年03期

5 ;关于召开“第十一届中国高温合金年会暨高温合金国际研讨会”的第一轮征文通知[J];中国冶金;2006年10期

6 董健;;镁在高温合金中的作用及控制[J];黑龙江冶金;2009年04期

7 郭建亭;;高温合金在能源工业领域中的应用现状与发展[J];金属学报;2010年05期

8 师昌绪;仲增墉;;我国高温合金的发展与创新[J];金属学报;2010年11期

9 郭建亭;周兰章;袁超;侯介山;秦学智;;我国独创和独具特色的几种高温合金的组织和性能[J];中国有色金属学报;2011年02期

10 尹志冬;戴斌煜;刘智彬;商景利;王薇薇;;高温合金净化技术研究现状[J];铸造;2011年05期

相关会议论文 前10条

1 仲增墉;;前言[A];动力与能源用高温结构材料——第十一届中国高温合金年会论文集[C];2007年

2 荀淑玲;闫忠强;王娟辉;王晓梅;胡敏艺;王江;;微量元素硼在高温合金中的作用[A];低碳经济条件下重有色金属冶金技术发展研讨会——暨重冶学委会第六届委员会成立大会论文集[C];2010年

3 冯涤;韩雅芳;;高温合金及其相关材料的研究开发与产业发展趋势[A];中国新材料产业发展报告（2006）——航空航天材料专辑[C];2006年

4 刘庆斌;卢翠芬;李冬玲;;一种高铬高温合金的物理化学相分析[A];动力与能源用高温结构材料——第十一届中国高温合金年会论文集[C];2007年

5 庞晓辉;刘平;杨军红;;高温合金中铼元素的分析测定[A];动力与能源用高温结构材料——第十一届中国高温合金年会论文集[C];2007年

6 庞晓辉;杨军红;刘平;;石墨炉原子吸收光谱法测定高温合金中痕量硒[A];第三届科学仪器前沿技术及应用学术研讨会论文摘要集[C];2006年

7 孙晓峰;;我国高温合金材料设计与制备基础研究进展[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

8 ;序[A];第十二届中国高温合金年会论文集[C];2011年

9 张勇;张国庆;李周;刘娜;袁华;许文勇;高正江;王孝平;P.S.Grant;;喷射成形高温合金组织演变过程试验研究[A];第十二届中国高温合金年会论文集[C];2011年

10 李其娟;;21世纪定向凝固高温合金使用展望[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展（下册）[C];1999年

相关重要报纸文章 前10条

1 木牛;航天工业与高温合金[N];中国冶金报;2000年

2 常宗华;第十届中国高温合金学术年会暨21世纪先进高温合金生产和应用国际研讨会举行[N];世界金属导报;2004年

3 黄秀声;我国高温合金已形成自主体系[N];中国冶金报;2006年

4 记者　 瞿剑;我国高温合金形成自主体系[N];科技日报;2006年

5 证券时报记者 刘杨　彭志华;钢研高纳 打造世界级高温合金企业[N];证券时报;2010年

6 李翠红 徐爱党;新中国第一炉高温合金在抚钢诞生[N];中国冶金报;2009年

7 杭材;先进高温合金——制造先进发动机的基石[N];中国航空报;2012年

8 罗之樝 本报记者 陈岩;我省研发出高纯净度冶炼高温合金技术[N];四川日报;2014年

9 申银万国 叶培培 徐若旭;工信部重点扶持新材料产业 看好高温合金行业成长性[N];通信信息报;2014年

10 张辉;“高温合金之王”在丹阳成功生产[N];镇江日报;2008年

相关博士学位论文 前10条

1 孙跃;纳米Y-Ti-O弥散强化FeCrAl薄板的EBPVD制备及组织与性能[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 刘涛;GH3535耐蚀Ni基高温合金组织与性能研究[D];大连理工大学;2015年

3 蒋恩;立式电磁连铸Incoloy 800高温合金凝固行为的研究[D];东北大学;2013年

4 张松;Hf、B和Cr对Nb-Si基超高温合金组织和性能的影响[D];西北工业大学;2016年

5 玄伟东;高温合金定向凝固杂晶形成规律及其控制研究[D];上海大学;2013年

6 赵坦;第二代定向柱晶高温合金DZ59研究[D];南京理工大学;2009年

7 杨舒宇;Co-Al-W基高温合金热力学分析及合金设计[D];东北大学;2012年

8 金文中;K417高温合金真空熔铸凝固过程的电磁控制[D];大连理工大学;2008年

9 陈伟;高推重比航空发动机整体精铸燃烧室机匣用高强度高温合金研究[D];南京理工大学;2007年

10 杨爱民;K4169高温合金组织细化及性能优化研究[D];西北工业大学;2002年

相关硕士学位论文 前10条

1 祝恩鑫;IN690高温合金热挤压工艺及组织演变规律研究[D];沈阳理工大学;2015年

2 许明;P添加对K984G铸造合金组织和性能的影响[D];沈阳理工大学;2015年

3 于振龙;IN625高温合金成分优化及热处理工艺的研究[D];沈阳理工大学;2015年

4 严振;残余应力场及表面完整性对TC11钛合金和高温合金疲劳性能的影响[D];贵州大学;2015年

5 谢小华;脉冲磁场和机械振动作用下细化K4169高温合金晶粒的研究[D];南昌航空大学;2014年

6 夏卫;亚快速凝固K424高温合金及其沉淀相析出规律研究[D];南昌航空大学;2015年

7 陈阳;高温合金GH4169的“电解—约束刻蚀”复合电化学加工研究[D];南昌航空大学;2015年

8 刘瑞毅;GH4169高温合金组织与性能的研究[D];东华大学;2013年

9 佟石;线性电磁搅拌作用下Incoloy 825高温合金凝固行为的研究[D];东北大学;2014年

10 刘琦;高温合金立式连铸流动传热和应力的模拟研究[D];东北大学;2014年

，

本文编号：1495819