【摘要】：Nb-Si基合金因其高熔點、低密度、高比強度以及優(yōu)良的加工性,成為當(dāng)前極具研究意義的超高溫材料;Ti-Al基合金由于其高強度、低密度、高彈性模量以及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而引起了廣大研究者的關(guān)注,同時還發(fā)現(xiàn)該合金還具有良好的阻燃性。隨著航空動力的迅速發(fā)展,航空發(fā)動機材料的使用溫度越來越高。當(dāng)前服役的Ni基高溫合金的使用溫度已然接近其熔點,發(fā)展新型的高溫結(jié)構(gòu)材料迫在眉睫,合金化是提高材料綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)。在Nb-Si基合金的合金化工作中,Ti、Al是最常出現(xiàn)的元素;在Ti-Al基合金中,Nb、Si是最常添加的合金化元素。相圖是合金化研究的重要理論基礎(chǔ),但目前公開的文獻中關(guān)于Nb-Ti-Si-Al四元體系相平衡信息的報道較少。因此,本論文以Nb-Ti-Si-Al四元合金的相平衡關(guān)系為研究對象,通過鑄態(tài)和幾個不同熱處理態(tài)相關(guān)系的分析與總結(jié),為Nb-Ti-Si-Al四元體系相圖的發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。本論文選取了Nb-Ti-Si-Al四元體系8個成分的合金,通過真空感應(yīng)熔煉制備合金錠,再分別進行1000°C/30h、1200°C/25h和1250°C/25h+1450°C/50h的熱處理。采用掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射分析、電子背散射衍射技術(shù)等對合金的鑄態(tài)微觀組織、1000°C、1200°C和1450°C的相關(guān)系進行分析,得到以下結(jié)論:(1)Nb-Ti-Si-Al四元8個成分的鑄態(tài)合金分別位于不同的初生相區(qū),在分析中,未發(fā)現(xiàn)新的四元相形成。其中,1#(成分:Nb-20Ti-14Si-16Al)和7#(成分:Nb-12Ti-14Si-36Al)合金來自β-Nb_5Si_3初生相區(qū)。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)合金的初生相均為Nb_5Si_3。5#合金(成分:Nb-51Ti-14Si-9Al)的初生相為Ti_5Si_3。以上7個合金的Si含量均為14at.%,這是由于具備該成分Si含量的Nb-Si合金具有適當(dāng)?shù)慕饘傧嗪凸杌锵啾壤�。各個合金初生相的信息能夠為建立液相面投影圖和液相-固相平衡奠定基礎(chǔ)。(2)Nb-Ti-Si-Al四元合金經(jīng)過1250°C/25h+1450°C/50h熱處理,1#到7#合金已基本達到了合金的平衡狀態(tài)。在1450°C相平衡分析中沒有發(fā)現(xiàn)新相,發(fā)現(xiàn)了存在于四元空間的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,也證實了低元體系平衡到四元空間的擴展,有來自Ti-Si二元體系的BCC+Ti_5Si_3兩相平衡和來自Nb-Si-Al三元體系的BCC+Nb_5Si_3+Nb_3Al三相平衡。以上關(guān)鍵合金的相組成、相成分和各相比例等信息都能夠用于1450°C相平衡的構(gòu)建。(3)Nb-Ti-Si-Al四元合金經(jīng)過1000°C/30h和1200°C/25h的熱處理,整體而言,合金基本未達到平衡狀態(tài),而且部分合金仍保持鑄態(tài)形貌。這是由于含有Nb的四元合金具有高熔點,需要長時間的處理才能達到平衡。但通過對比鑄態(tài)的合金以及1250°C/25h+1450°C/50h熱處理狀態(tài)的合金微觀組織,能夠幫助理解合金從鑄態(tài)到平衡態(tài)的組織演變過程。對于具有高含量Al和Ti的3#合金以及6#合金,在溫度和時間的耦合作用下,發(fā)生了明顯的組織變化,表現(xiàn)在具有不同晶型的化合物的消除或者形成。
【圖文】：

00°C 三個等溫截面，在 1200°C 金屬含量小于 37.5at. %的Si3+αNb5Si3和 bcc-(Nb)+(Nb,Ti)3Si+αNb5Si3兩個三相平衡。技術(shù)，并結(jié)合 10 組合金的實驗結(jié)果構(gòu)建了 1000°C 的等溫截b-Ti 金屬端同樣有這兩個三相平衡。然而，不同于 Zhao 等解度被確定為高達 60at. %，而 Zhao 等認為 Nb 的含量只達測定的 bcc-(Nb)+(Nb,Ti)3Si+αNb5Si3三相區(qū)范圍比 Zhao 等測[56]人研究了 Nb-Si-Ti 體系整個組成范圍內(nèi) 500°C 的等溫截面，且二元化合物 Nb3Si 不存在于該等溫截面。圖 1.1 為 Gen驗的 Nb-Si-Ti 體系 1200°C 等溫截面圖，Yang 等在實驗研究(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 的溶解度可達到 4Si3的溶解可達到 35at. %。

構(gòu)的 Nb3Si5Al2和 Nb10Si3Al3，而且后者的結(jié)構(gòu)是基于二元硅化物 β-Nb5Si3，即 D8mW5Si3結(jié)構(gòu)類型。Pan 等[60]報道 1500℃富 Nb 角部分的等溫截面，其中 C54 三元相的組成范圍幾乎與 Brukl 等人（1400℃）相同，而 Brukl 人沒有體現(xiàn)出 Al 在 α-Nb5Si3中的溶解度，后者則表明在 1500℃時 Al 在 α-Nb5Si3的溶解度可以高達 10at. %。J C.Zhao 等[61]人進行Nb-Si-Al 體系 1000℃相平衡的研究，表明 Al3Si3Nb10只有在高溫條件下穩(wěn)定存在。綜合文獻中的研究結(jié)果，認為Nb-Si-Al體系中只存在的一個三元相為C54結(jié)構(gòu)的Nb3Si5Al2，這是由于高含量 Al 元素取代 NbSi2相中的部分 Si，而改變了 NbSi2的結(jié)構(gòu)，，使三元相形成。在熱力學(xué)優(yōu)化和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫建立方面，G Shao等[62]利用計算軟件進行Nb-Si-Al系統(tǒng)的熱力學(xué)描述，采用各種類型的實驗數(shù)據(jù)進行熱力學(xué)參數(shù)調(diào)整，圖1.2所示的為G.Shao[66]將所獲得的計算相圖與J C. Zhao等的實驗結(jié)果進行對比，繪制的高溫1400°C和1000°C等溫截面，兩者結(jié)果吻合較好，Al3Si3Nb10存在于1400°C，相比較二元β-Nb5Si3的穩(wěn)定范圍，說明Al使其在更低的溫度穩(wěn)定。
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG132.3

【參考文獻】

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本文編號：2682863