Nb-Ti-Si-Al四元体系的相平衡研究

发布时间：2020-05-27 03:14

【摘要】：Nb-Si基合金因其高熔点、低密度、高比强度以及优良的加工性,成为当前极具研究意义的超高温材料;Ti-Al基合金由于其高强度、低密度、高弹性模量以及优良的结构稳定性而引起了广大研究者的关注,同时还发现该合金还具有良好的阻燃性。随着航空动力的迅速发展,航空发动机材料的使用温度越来越高。当前服役的Ni基高温合金的使用温度已然接近其熔点,发展新型的高温结构材料迫在眉睫,合金化是提高材料综合性能的关键技术。在Nb-Si基合金的合金化工作中,Ti、Al是最常出现的元素;在Ti-Al基合金中,Nb、Si是最常添加的合金化元素。相图是合金化研究的重要理论基础,但目前公开的文献中关于Nb-Ti-Si-Al四元体系相平衡信息的报道较少。因此,本论文以Nb-Ti-Si-Al四元合金的相平衡关系为研究对象,通过铸态和几个不同热处理态相关系的分析与总结,为Nb-Ti-Si-Al四元体系相图的发展提供数据参考。本论文选取了Nb-Ti-Si-Al四元体系8个成分的合金,通过真空感应熔炼制备合金锭,再分别进行1000°C/30h、1200°C/25h和1250°C/25h+1450°C/50h的热处理。采用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射分析、电子背散射衍射技术等对合金的铸态微观组织、1000°C、1200°C和1450°C的相关系进行分析,得到以下结论:(1)Nb-Ti-Si-Al四元8个成分的铸态合金分别位于不同的初生相区,在分析中,未发现新的四元相形成。其中,1#(成分:Nb-20Ti-14Si-16Al)和7#(成分:Nb-12Ti-14Si-36Al)合金来自β-Nb_5Si_3初生相区。2#(成分:Nb-18Ti-14Si-9Al)、3#(成分:Nb-24Ti-14Si-40Al)、4#(成分:Nb-21Ti-14Si-9Al)、6#(成分:Nb-29Ti-14Si-26Al)合金的初生相均为Nb_5Si_3。5#合金(成分:Nb-51Ti-14Si-9Al)的初生相为Ti_5Si_3。以上7个合金的Si含量均为14at.%,这是由于具备该成分Si含量的Nb-Si合金具有适当的金属相和硅化物相比例。各个合金初生相的信息能够为建立液相面投影图和液相-固相平衡奠定基础。(2)Nb-Ti-Si-Al四元合金经过1250°C/25h+1450°C/50h热处理,1#到7#合金已基本达到了合金的平衡状态。在1450°C相平衡分析中没有发现新相,发现了存在于四元空间的Nb_5Si_3+β-Nb_5Si_3+TiAl+NbAl_3四相平衡、Nb_5Si_3+Nb_3Al+Ti_5Si_3三相平衡和Ti_5Si_3+Nb_5Si_3+TiAl三相平衡;另外,也证实了低元体系平衡到四元空间的扩展,有来自Ti-Si二元体系的BCC+Ti_5Si_3两相平衡和来自Nb-Si-Al三元体系的BCC+Nb_5Si_3+Nb_3Al三相平衡。以上关键合金的相组成、相成分和各相比例等信息都能够用于1450°C相平衡的构建。(3)Nb-Ti-Si-Al四元合金经过1000°C/30h和1200°C/25h的热处理,整体而言,合金基本未达到平衡状态,而且部分合金仍保持铸态形貌。这是由于含有Nb的四元合金具有高熔点,需要长时间的处理才能达到平衡。但通过对比铸态的合金以及1250°C/25h+1450°C/50h热处理状态的合金微观组织,能够帮助理解合金从铸态到平衡态的组织演变过程。对于具有高含量Al和Ti的3#合金以及6#合金,在温度和时间的耦合作用下,发生了明显的组织变化,表现在具有不同晶型的化合物的消除或者形成。
【图文】：

00°C 三个等温截面，在 1200°C 金属含量小于 37.5at. %的Si3+αNb5Si3和 bcc-(Nb)+(Nb,Ti)3Si+αNb5Si3两个三相平衡。技术，并结合 10 组合金的实验结果构建了 1000°C 的等温截b-Ti 金属端同样有这两个三相平衡。然而，不同于 Zhao 等解度被确定为高达 60at. %，而 Zhao 等认为 Nb 的含量只达测定的 bcc-(Nb)+(Nb,Ti)3Si+αNb5Si3三相区范围比 Zhao 等测[56]人研究了 Nb-Si-Ti 体系整个组成范围内 500°C 的等温截面，且二元化合物 Nb3Si 不存在于该等温截面。图 1.1 为 Gen验的 Nb-Si-Ti 体系 1200°C 等温截面图，Yang 等在实验研究(Nb,Ti)3+αNb(Ti)5Si3、(Nb,Ti)3Si+Ti(Nb)5Si3+αNb(Ti)5Si3和(Nb(Ti)5Si3三相平衡，而且 Nb 在(Nb,Ti)3Si 的溶解度可达到 4Si3的溶解可达到 35at. %。

构的 Nb3Si5Al2和 Nb10Si3Al3，而且后者的结构是基于二元硅化物 β-Nb5Si3，即 D8mW5Si3结构类型。Pan 等[60]报道 1500℃富 Nb 角部分的等温截面，其中 C54 三元相的组成范围几乎与 Brukl 等人（1400℃）相同，而 Brukl 人没有体现出 Al 在 α-Nb5Si3中的溶解度，后者则表明在 1500℃时 Al 在 α-Nb5Si3的溶解度可以高达 10at. %。J C.Zhao 等[61]人进行Nb-Si-Al 体系 1000℃相平衡的研究，表明 Al3Si3Nb10只有在高温条件下稳定存在。综合文献中的研究结果，认为Nb-Si-Al体系中只存在的一个三元相为C54结构的Nb3Si5Al2，这是由于高含量 Al 元素取代 NbSi2相中的部分 Si，而改变了 NbSi2的结构，，使三元相形成。在热力学优化和热力学数据库建立方面，G Shao等[62]利用计算软件进行Nb-Si-Al系统的热力学描述，采用各种类型的实验数据进行热力学参数调整，图1.2所示的为G.Shao[66]将所获得的计算相图与J C. Zhao等的实验结果进行对比，绘制的高温1400°C和1000°C等温截面，两者结果吻合较好，Al3Si3Nb10存在于1400°C，相比较二元β-Nb5Si3的稳定范围，说明Al使其在更低的温度稳定。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3

【参考文献】

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本文编号：2682863