稀土元素(La,Sm,Tb)合金化鈮硅材料顯微組織及室溫?cái)嗔秧g度

郭豐偉，康永旺，肖程波

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

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稀土元素(La,Sm,Tb)合金化鈮硅材料顯微組織及室溫?cái)嗔秧g度

郭豐偉，康永旺，肖程波

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

采用真空非自耗電弧熔煉制備添加稀土元素的Nb-20Ti-16Si-3Al-3Cr-2Hf合金紐扣錠，稀土元素為不同含量的Sm, La, Tb。對(duì)鑄態(tài)合金進(jìn)行微觀組織分析和室溫?cái)嗔秧g度測(cè)試。結(jié)果表明：合金主要由(Nb,Ti)相與Nb5Si3相組成，不同部位存在多種微觀組織，粗大的兩相組織存在宏觀聚集現(xiàn)象；紐扣錠中普遍存在規(guī)則的共晶晶胞和以Nb5Si3相為核心的板條狀晶胞；共晶晶胞中心為Nb5Si3相和鈮固溶體相Nbss組成的層片狀組織，外圍為粗大的“齒狀”兩相組織；板條狀晶胞的Nb5Si3相核心保留了完整的平直界面和規(guī)則的棱角，晶胞外圍主要由細(xì)小網(wǎng)狀的硅化物和粗大的樹枝狀Nbss相組成。使用多元線性回歸分析不同稀土含量與合金室溫?cái)嗔秧g度的關(guān)系，不同稀土含量的合金室溫?cái)嗔秧g度值分布在11～15MPa·m1/2之間，多元線性逐步回歸分析后得到室溫?cái)嗔秧g度Kq與稀土含量(Sm，La，Tb)的關(guān)系為Kq=10.344+6.896La+2.993Sm。

鈮硅材料；稀土元素；微觀組織；室溫?cái)嗔秧g度

熱端部件的工作溫度是決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)推重比、燃油經(jīng)濟(jì)性等性能的關(guān)鍵因素，鎳基高溫合金的使用溫度上限已經(jīng)從幾百攝氏度躍升至1100℃以上[1-3]，然而，受到鎳基高溫合金本身熔點(diǎn)的限制，其很難在高于1200℃的環(huán)境中使用，為了滿足下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)更高推重比的要求，工作溫度在1200～1400℃之間的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料是必然的發(fā)展方向。鈮硅材料因其具有良好的高溫力學(xué)性能、較高的比強(qiáng)度及相對(duì)較高的室溫?cái)嗔秧g度，成為未來可能替代鎳基高溫合金的超高溫結(jié)構(gòu)材料之一。鈮硅材料主要由鈮固溶體相及硅化物相構(gòu)成，鈮固溶體相具有良好的韌性，而硅化物相具有良好的高溫力學(xué)性能[2]，研究人員希望通過合理配合兩相組織使材料具有更好的綜合性能。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，鈮硅材料的高溫力學(xué)性能、室溫?cái)嗔秧g度、高溫抗氧化性能均得到大幅提升，但與工程應(yīng)用的要求還有較大差距。合金化是改善材料力學(xué)性能的有效方式，目前研究人員主要依靠元素合金化的方法提升合金的抗氧化性能，使用定向凝固及合金化的方法提升合金力學(xué)性能。研究表明定向凝固法[4-7]及Ti, Hf[8], Zr[9]等元素的添加能夠顯著提升鈮硅材料高溫力學(xué)性能或室溫?cái)嗔秧g度，Ti, Cr[10,11], Al[10,11], Hf等元素能夠明顯提升鈮硅材料高溫抗氧化性能。定向凝固法能夠顯著提升Nb-Si材料高溫力學(xué)性能和室溫?cái)嗔秧g度。Bewlay等[3]的研究表明Nb-Si材料的最大室溫?cái)嗔秧g度值可達(dá)35MPa·m1/2；康永旺等[6]使用光學(xué)懸浮晶體生長(zhǎng)爐制備了Nb-Ti-Si-Cr-Al-Hf合金定向凝固試棒，結(jié)果表明定向速率為6mm/h生長(zhǎng)的合金在1250℃抗壓強(qiáng)度高達(dá)396MPa，而定向凝固速率對(duì)合金抗氧化性能沒有顯著影響；Sekido等[4]使用光學(xué)懸浮晶體生長(zhǎng)爐制備Nb-17.5Si二元合金及Nb-10Ti-17.5Si三元合金，結(jié)果表明定向凝固二元鈮硅材料室溫?cái)嗔秧g度遠(yuǎn)高于二元鑄態(tài)鈮硅材料，三元定向凝固合金熱處理前室溫?cái)嗔秧g度與二元定向凝固合金接近，但熱處理后發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，室溫?cái)嗔秧g度大幅提升。然而，研究人員對(duì)鈮硅材料的組織演變及室溫?cái)嗔秧g度的研究依然停留在較為初級(jí)的階段，尤其像鈮硅材料這種含有金屬間化物的兩相甚至多相組成的復(fù)合物的各相生長(zhǎng)過程和斷裂過程的認(rèn)識(shí)仍然非常模糊。稀土元素作為微合金化元素已經(jīng)在多種材料體系中使用，微量稀土元素的添加能夠顯著改善某些合金的力學(xué)性能、抗氧化性能等[12-14]，常用的稀土元素有Y, Ce, La, Sm, Tb等，微量的稀土元素及其氧化物往往在合金的晶界處偏聚[15]，但其影響機(jī)制目前未有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。

本工作采用真空非自耗電弧熔煉制備稀土合金化鈮硅材料，研究鑄態(tài)鈮硅材料的宏微觀組織及裂紋在合金中的擴(kuò)展，使用均勻設(shè)計(jì)法研究不同含量的稀土元素Sm, Tb, La對(duì)Nb-20Ti-16Si-3Cr-3Al-2Hf合金的室溫?cái)嗔秧g度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)用鈮硅材料名義成分為Nb-20Ti-16Si-3Cr-3Al-2Hf，并向合金中添加不同含量的稀土元素Sm, La, Tb(見表1)。

表1 稀土元素添加量(原子分?jǐn)?shù)/%)

采用具有水冷銅坩堝的真空非自耗鎢電極電弧熔煉爐進(jìn)行合金熔煉，熔煉前用氬氣進(jìn)行洗爐，熔煉過程中充氬保護(hù)，以減少元素在熔煉時(shí)的氧化及揮發(fā)，反復(fù)熔煉4次以上以保證成分均勻。紐扣錠形狀為半球形，直徑約為7cm。C1合金在熔煉過程中發(fā)生嚴(yán)重?zé)龘p，故將C1試樣排除在分析范圍之外。

采用線切割在紐扣錠中心處自半球頂部至底部縱向切去完整切片(縱截面)，對(duì)切片研磨、拋光、電化學(xué)腐蝕，在Leica DM6000光學(xué)金相顯微鏡下觀察紐扣錠的縱截面的整體宏觀組織，并采用掃描電子顯微鏡觀察微觀組織。采用線切割在紐扣錠中下部切取尺寸為30mm×6mm×3mm的平面應(yīng)力三點(diǎn)彎曲試樣，試樣中部用直徑約0.18mm的Mo絲切出深為3mm的缺口，平面應(yīng)力三點(diǎn)彎曲測(cè)試采用位移控制，加載速率為0.1mm/min，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每個(gè)試樣至少進(jìn)行兩個(gè)三點(diǎn)彎曲斷裂韌度測(cè)試。由于稀土元素的添加使用均勻設(shè)計(jì)法安排，該方法是一種強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)“均勻分散性”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，而不考慮實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的“整齊可比性”，其特點(diǎn)是能大量節(jié)省實(shí)驗(yàn)次數(shù)，使每個(gè)因素在有限的實(shí)驗(yàn)次數(shù)內(nèi)安排盡量多的水平，適合多因素多水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有可比性，無法用常規(guī)的方差分析法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]，本研究采用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)的室溫?cái)嗔秧g度結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 物相分析

圖1為鈮硅紐扣錠切片的XRD物相分析。由圖1可知，電弧熔煉Nb-20Ti-16Si-3Cr-3Al-2Hf紐扣錠的物相組成主要為(Nb,Ti)相與α-Nb5Si3相，未發(fā)現(xiàn)其他相如β-Nb5Si3，Nb3Si等。

圖1 C2～C10合金的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of the C2-C10 alloy

α-Nb5Si3相是鈮硅金屬間化合物中的低溫穩(wěn)定相，合金元素Ti, Al, Cr的添加促進(jìn)了α-Nb5Si3相的生成，圖1的結(jié)果表明稀土元素的添加對(duì)該合金體系的相組成沒有顯著影響，即C2～C10合金的相組成是一致的。

2.2 真空非自耗電弧熔煉鈮硅材料紐扣錠宏觀組織分析

真空非自耗電弧熔煉爐使用鎢電極產(chǎn)生電弧，對(duì)水冷銅坩堝內(nèi)的合金進(jìn)行熔煉，紐扣錠的不同位置冷卻速度差距較大，會(huì)造成紐扣錠不同位置的組織有較大差別，因此對(duì)整個(gè)紐扣錠的切片宏觀組織進(jìn)行觀察，圖2為合金鑄錠中心縱截面的宏觀組織及不同部位的微觀組織。

圖2(a)為拼接得到的典型紐扣錠總體宏觀組織(C9合金)，圖中B,C,D,E分別對(duì)應(yīng)圖2(b),(c),(d),(e)。電化學(xué)腐蝕下鈮硅試樣中的不同相呈不同顏色，其中橙黃色部分為電化學(xué)腐蝕后著色的Nbss相，白色為未著色部分為硅化物相，黑色部分為疏松孔洞，少部分為雜質(zhì)。非自耗電弧熔煉鈮硅材料紐扣錠的宏觀組織非常不均勻，不同部位的Nbss相的尺寸不同導(dǎo)致宏觀顏色不同，細(xì)小彌散的Nbss相分布在宏觀上呈現(xiàn)亮黃色，粗大的Nbss相分布則呈橙紅色；不同部位硅化物相的尺寸及分布在宏觀上表現(xiàn)為不同形狀的紋路，細(xì)小彌散的硅化物在宏觀上呈現(xiàn)均勻的區(qū)域，粗大凌亂的硅化物則為條帶狀或塊狀的暗色區(qū)域(如圖2(b)中的條帶狀紋路)。紐扣錠中心為紐扣錠的縮孔區(qū)(圖2(c))，黑色部分為縮孔，非自耗電弧熔煉的鈮硅材料紐扣錠縮孔區(qū)集中在紐扣錠的上部或中部；在紐扣錠靠近底部的位置發(fā)現(xiàn)了如圖2(d)所示的條帶狀有方向性的組織，組織的長(zhǎng)度方向大致與坩堝壁垂直，這種組織在多個(gè)紐扣錠中被發(fā)現(xiàn)，但在能夠觀察到的截面內(nèi)只占比較小的面積；紐扣錠的最頂部區(qū)域?yàn)檎R的樹枝狀組織(如圖2(e))。

從上述的非自耗電弧熔煉鑄錠的宏觀組織分析可知，每個(gè)紐扣錠都經(jīng)過4次以上的重復(fù)熔煉，紐扣錠的宏觀組織依然非常不均勻，并存在大量的鑄造缺陷。推斷該鈮硅材料紐扣錠的組織不均勻并非來自成分偏析，而是各個(gè)區(qū)域過冷度、冷卻速率的巨大差異導(dǎo)致，但由于電弧熔煉過程中的溫度不可測(cè)，難以定量地分析這些組織的形成過程。經(jīng)過對(duì)多個(gè)合金紐扣錠中心的縱截面進(jìn)行定性分析后，發(fā)現(xiàn)：紐扣錠最外層存在100～200μm厚的激冷區(qū)，細(xì)小的條狀硅化物相分布在連續(xù)的Nbss基體中(圖2(f),(g))；次外層為尺寸大于10μm的共晶晶區(qū)，晶胞中心為層片狀的兩相組織，其中硅化物相為連續(xù)相；隨著距坩堝壁距離的增加，共晶尺寸逐漸增大，在紐扣錠中心晶胞尺寸已達(dá)50μm以上，中心的層片狀組織的片層間距也更大，層片狀組織被外圍更粗大的Nbss及硅化物相包裹，形成共晶晶胞；紐扣錠中普遍存在大量粗大的板條狀硅化物，其尺寸分布從幾十到上千微米不等，分布非常不均勻，會(huì)在部分區(qū)域大量聚集；以粗大的板條狀硅化物為核心，會(huì)形成粗大的形狀不一的板條狀晶胞。

圖2 典型的鈮硅材料鑄錠宏觀組織及不同位置的微觀組織(C9合金)(a)紐扣錠縱截面整體形貌;(b)～(g)紐扣錠縱截面不同位置的微觀組織Fig.2 Typical macrostructure and microstructure of different position in Nb-Si alloy ingot(C9 alloy)(a)morphology of the ingot’s longitudinal section;(b)-(g)microstructure of different position of ingot’s longitudinal section

2.3 鈮硅材料的微觀組織

電弧熔煉鈮硅材料紐扣錠中出現(xiàn)了豐富的微觀組織，然而關(guān)于各個(gè)組織的定義及形成過程難以判斷，本工作選擇兩種在電弧熔煉鈮硅材料紐扣錠中普遍存在的微觀組織進(jìn)行分析，分別為共晶晶胞和板條狀晶胞。

2.3.1 共晶晶胞

圖3為合金中共晶組織形貌，不同樣品中共晶組織形貌沒有明顯差異。共晶是鈮硅材料紐扣錠中體積分?jǐn)?shù)最大的組織，圖3(a),(b)中的共晶組織取自合金紐扣錠中心位置，形狀呈長(zhǎng)胞狀，長(zhǎng)軸方向能達(dá)到50μm以上，各晶胞尺寸比較均勻(由于各晶胞位置有交錯(cuò)，以致在二維平面上觀察到的晶胞截面大小不一)；晶胞中心為層片狀的兩相組織向不同方向發(fā)散，其中硅化物相(黑色相)為連續(xù)骨架，片層間距隨著中心向外逐漸變大，到最外層的約10μm的區(qū)域，兩相組織失去層片狀特征，Nbss相(白色相)尺寸急劇增大，呈“齒狀”包裹在中心層片組織外圍，并且“齒狀”組織的Nbss體積分?jǐn)?shù)要明顯高于中心層片狀組織。連續(xù)的硅化物相表明：在晶胞中心位置，硅化物與Nbss之間匹配良好。而在晶胞外圍，Nbss相尺寸比硅化物更大，且體積分?jǐn)?shù)也大幅增加。晶胞在長(zhǎng)大過程中會(huì)向液相排出Ti，在高對(duì)比度的BSE照片中可以明顯看到晶胞之間析出了黑色的硅化物，EDS分析結(jié)果顯示其為富Ti的Nb5Si3相。圖3(c),(d)中富Ti硅化物與Nbss相呈相互纏繞的組織析出，其形貌也近似共晶組織。合金熔點(diǎn)會(huì)隨著Ti含量的增加而大幅降低，可知富Ti組織應(yīng)屬低熔點(diǎn)組織，晶胞中心的層片狀組織應(yīng)是先于晶界處的富Ti組織析出。使用EDS對(duì)富Ti及低Ti的Nb5Si3相進(jìn)行成分分析，統(tǒng)計(jì)后得出：富Ti的Nb5Si3相Ti平均含量為27%，低Ti的Nb5Si3相平均Ti含量為13%。

圖3 鈮硅材料紐扣錠中的共晶晶胞的背散射電子(BSE)形貌(C4 合金)(a),(b)鑄錠中部的共晶晶胞;(c),(d)共晶晶胞間的富Ti組織Fig.3 Backscattered electron (BSE) images of eutectic grain in Nb-Si alloy ingot (C4 alloy)(a),(b)eutectic grain in the center of ingot;(c),(d)Ti-rich microstructure between the eutectic grains

2.3.2 板條狀晶胞

電弧熔煉鈮硅材料中普遍存在大塊的板條狀Nb5Si3相，合金中會(huì)以這些板條狀的Nb5Si3相為核心形成粗大的晶胞，圖4為合金鑄錠中不同部位板條狀晶胞的形貌。圖4(a)白色框線中的晶胞即板條狀晶胞截面，輪廓與中心的Nb5Si3相基本保持一致，Nb5Si3相在晶胞中保留著完好的平直界面及角度，應(yīng)是領(lǐng)先于周邊組織形成的，故推斷這種晶胞為板條狀晶胞。Nb5Si3相周圍形成細(xì)小發(fā)散狀的硅化物網(wǎng)絡(luò)，發(fā)散方向基本與Nb5Si3相表面垂直，與共晶晶胞一樣，在形成細(xì)小的兩相組織后，Nbss相就開始迅速長(zhǎng)大，圖4(a)中的板條狀晶胞受到周邊晶胞長(zhǎng)大的擠壓，Nbss未能長(zhǎng)到較大尺寸，圖4(b)中晶胞受到的阻礙較少，Nbss相長(zhǎng)成粗大的樹枝狀組織，枝晶間析出富Ti的硅化物相。圖4(b)中Nb5Si3相中心包裹著Nbss相(箭頭所指位置)，且該Nbss相中的Ti存在偏析，說明在凝固過程中，Nb5Si3相析出后中心位置依然是液相。在合金紐扣錠縮孔區(qū)域中也發(fā)現(xiàn)粗大的板條狀晶胞，晶胞中心為粗大的Nb5Si3相(圖4(c)方框處)，晶胞最外圍為Nbss相，在二次電子形貌中可以清晰地觀察到晶胞的表面形貌(圖4(d)箭頭所指位置)，表面的突出粒狀物為Nbss相，與晶胞的橫截面觀察到的齒狀或樹枝狀Nbss相形貌相符，未發(fā)現(xiàn)表面有尖銳的棱角，即晶胞外表面不存在Nb5Si3相。

根據(jù)以上兩相及晶胞的形貌分析，可知：Nbss及Nb5Si3兩相既能夠同時(shí)生長(zhǎng)，形成兩相配合的細(xì)小組織，也會(huì)以先后順序析出，形成中間Nb5Si3相表面Nbss相的粗大的板條狀晶胞。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是Nb5Si3相能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)在不同的形核位置析出。Puncreobutr等[17]在研究Al-7.5Si-3.5Cu-0.6Fe (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)合金時(shí)，使用即時(shí)原位同步輻射X射線源層析成像顯微鏡實(shí)時(shí)觀察并分析了合金的凝固過程，發(fā)現(xiàn)該Al-Si合金在共晶溫度以上就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了90%以上的β-Al5FeSi金屬間化合物相的析出，且大部分β-Al5FeSi相尺寸較大、形貌不一，與Al相配合度差，而平衡相圖所計(jì)算的β-Al5FeSi相在共晶溫度以上析出的量不到30%，實(shí)驗(yàn)對(duì)觀察到的大量β-Al5FeSi相的形成進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)約66%的β-Al5FeSi相在α-Al初晶表面或表面附近形核長(zhǎng)大，約34%的β-Al5FeSi相在氧化物、氣孔及已析出的β-Al5FeSi相的表面或附近析出。Nb-Si合金與Al-Si合金在凝固組織上有許多相似的特點(diǎn)，本工作觀察到的形貌各異、尺寸不一的Nb5Si3相可能存在與Al-Si合金中β-Al5FeSi相相似的情況，Puncreobutr的研究對(duì)Nb-Si合金組織的形成機(jī)制有參考意義。

圖4 粗大Nb5Si3相為核心形成的板條狀晶胞(C3合金)(a),(b)紐扣錠中心;(c),(d)縮孔區(qū)Fig.4 Lath-like grain nucleated by the coarse Nb5Si3 phase (C3 alloy)(a),(b)the center of ingot;(c),(d)shrinkage area

2.4 鑄態(tài)鈮硅材料室溫?cái)嗔秧g度

電弧熔煉紐扣錠組織不均勻，鑄造缺陷較多，同一個(gè)紐扣錠的不同試樣室溫?cái)嗔秧g度有差別，一般認(rèn)為組織均勻，鑄造缺陷少的樣品室溫?cái)嗔秧g度更好，每個(gè)合金都選擇最高的值作為該合金的室溫?cái)嗔秧g度結(jié)果，以減少組織不均勻及鑄造缺陷帶來的干擾。

2.4.1 室溫?cái)嗔秧g度的多元線性回歸分析

實(shí)驗(yàn)由多因素多水平的均勻設(shè)計(jì)方法安排，采用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多元線性逐步回歸分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)室溫?cái)嗔秧g度結(jié)果(Kq)與稀土元素含量作三維散點(diǎn)圖(圖5)，找出直觀上有明顯規(guī)律的分布組合，發(fā)現(xiàn)Kq-La-Sm(圖5(a))，Kq-La-Tb(圖5(b))有比較明顯的線性關(guān)系(即共平面關(guān)系)，而Kq-Sm-Tb沒有明顯規(guī)律，故可對(duì)室溫?cái)嗔秧g度與稀土含量進(jìn)行線性回歸分析。電弧熔煉時(shí)每種稀土元素的燒損無法估計(jì)，回歸分析使用的稀土含量值為設(shè)計(jì)添加值，即回歸分析中稀土元素對(duì)室溫?cái)嗔秧g度的影響包含了稀土的添加量、燒損、偏析等因素對(duì)室溫?cái)嗔秧g度的影響。

圖5 室溫?cái)嗔秧g度Kq與稀土含量的三維散點(diǎn)圖 (a)Kq-La-Sm;(b)Kq-La-TbFig.5 3D scatter diagram of room temperature fracture toughness Kq compare to the addition of REEs (a)Kq-La-Sm;(b)Kq-La-Tb

多元線性回歸分析結(jié)果見表2，在嚴(yán)格的(0.05

表2 多元線性回歸模型分析

經(jīng)過上述多元線性回歸分析，在稀土添加量為0%～0.4%范圍內(nèi)，室溫?cái)嗔秧g度隨著La與Sm含量的增加而增加，Tb對(duì)合金室溫?cái)嗔秧g度沒有明顯影響。鑄態(tài)鈮硅材料由韌性的Nbss固溶體相及脆性的Nb5Si3相組成，合金的韌性主要由Nbss相提供，影響合金斷裂韌度的因素主要有各相的本征力學(xué)性質(zhì)(最大抗拉強(qiáng)度δmax及最大切變強(qiáng)度τmax)、界面(相界、晶界)的結(jié)合強(qiáng)度、第二相或雜質(zhì)的分布及形貌、微觀偏析等，盡管在實(shí)驗(yàn)回歸結(jié)果中室溫?cái)嗔秧g度有隨著La, Sm添加量增加而增加的趨勢(shì)，在目前鈮硅材料室溫?cái)嗔秧g度普遍較差的情況下，以百分比計(jì)有較高的提升，但實(shí)際上大部分室溫?cái)嗔秧g度差值都在2MPa·m1/2以內(nèi)，絕對(duì)值并沒有得到明顯提升。

2.4.2 裂紋的擴(kuò)展形貌分析

從圖3(a)中可以看到共晶晶界處分布著不規(guī)則形狀的白色析出相，EDS分析顯示其成分為L(zhǎng)a的氧化物(摻有部分Sm,Tb氧化物)。由于EDS精度限制，只能定性地檢測(cè)出在Nbss和Nb5Si3兩相中La, Sm, Tb的含量均小于0.2%，通過對(duì)比不同稀土元素含量合金紐扣錠的宏微觀顯微組織，未發(fā)現(xiàn)有明顯區(qū)別，只有縮孔區(qū)域出現(xiàn)的位置略有不同。稀土元素La，Sm的添加增加了合金的室溫?cái)嗔秧g度但并未改變合金的室溫?cái)嗔逊绞剑鐖D6所示為典型的鑄態(tài)鈮硅材料室溫?cái)嗔训牧鸭y擴(kuò)展形貌，圖6(a)中的板條狀硅化物為“夾心型”，中部為Nbss相，裂紋經(jīng)過大塊板條狀硅化物相時(shí)發(fā)生偏折，繞過中心的Nbss相；圖6(b)為共晶組織中的裂紋擴(kuò)展，裂紋大致沿著晶界或相界擴(kuò)展，有部分Nb5Si3相和Nbss相發(fā)生穿晶斷裂。

板條狀硅化物的斷裂呈穿晶斷裂特征，但裂紋在硅化物內(nèi)部并不向中心的Nbss相擴(kuò)展；而共晶組織的斷裂更趨向于沿晶斷裂。這種特殊的斷裂特征與鈮硅材料微觀組織組成部分的力學(xué)性能有關(guān)，在鑄態(tài)鈮硅材料中，固溶體相Nbss韌性最好，硅化物相Nb5Si3，Nbss/Nb5Si3相界、晶界的韌性較差。在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋尖端前沿的形變量最大，當(dāng)區(qū)域內(nèi)Nb5Si3相較多，晶界相界較少(如板條狀硅化物)時(shí)，處在裂紋尖端前沿的Nb5Si3相很容易發(fā)生斷裂，而當(dāng)裂紋從Nb5Si3相接近大塊Nbss相時(shí)(如圖6(a)中硅化物心部的Nbss相)，由于Nbss良好的韌性，處在裂紋尖端前沿依然不發(fā)生斷裂，而裂紋附近的Nb5Si3相盡管處在形變量較小的區(qū)域，卻因其較差的韌性，發(fā)生斷裂，并引導(dǎo)裂紋改變方向，直至穿越整個(gè)Nb5Si3相；當(dāng)塑形變形區(qū)域內(nèi)晶界相界大幅增多，Nb5Si3相比例較少時(shí)(如共晶組織)，晶界相界出現(xiàn)在裂紋尖端前沿的概率大幅提升，故細(xì)小的共晶組織斷裂過程更趨向于沿晶斷裂。稀土元素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響難以測(cè)定，添加稀土后合金出現(xiàn)了以La2O3為主的稀土氧化物析出，稀土氧化物集中在晶界處，作為脆性的第二相粒子，La2O3顆粒對(duì)合金的韌性應(yīng)是惡化作用，由于稀土元素具有良好的活性，固定合金中的O, N, S, H, Cl等間隙元素，稀土元素的凈化作用可能提高了合金各相的韌性。

圖6 鑄態(tài)鈮硅材料的室溫?cái)嗔蚜鸭y擴(kuò)展形貌(C5合金)(a)裂紋在板條狀硅化物中的擴(kuò)展;(b)裂紋在共晶組織中的擴(kuò)展Fig.6 Morphology of room temperature fracture expansion(C5 alloy)(a)fracture expansion in lath-like Nb5Si3 phase;(b)fracture expansion in eutectic structure

3 結(jié)論

(1)真空非自耗電弧熔煉鈮硅材料紐扣錠宏觀組織不均勻，存在大量鑄造缺陷。微觀組織由Nbss和Nb5Si3兩相構(gòu)成，組織形貌在紐扣錠不同部位差異較大。紐扣錠不同位置的兩相組織結(jié)構(gòu)不同，最外層的激冷區(qū)內(nèi)連續(xù)相為Nbss，而中心的層片狀組織連續(xù)相為Nb5Si3。

(2)紐扣錠中普遍存在共晶晶胞和板條狀晶胞，共晶晶胞中心為層片狀的兩相結(jié)構(gòu)，外圍呈“齒狀”兩相組織，晶胞間存在Ti的偏聚；板條狀晶胞以粗大板條狀Nb5Si3相為核心，外圍為顆粒狀或樹枝狀Nbss相。

(3)對(duì)室溫?cái)嗔秧g度結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析，得到回歸方程為Kq=10.344+6.896La+2.993Sm，La和Sm的添加能夠提升鈮硅材料室溫?cái)嗔秧g度，La的作用更為明顯，稀土元素的添加對(duì)鈮硅材料微觀組織沒有明顯影響。

(4)添加稀土元素后鈮硅材料斷裂機(jī)制沒有發(fā)生改變，稀土元素室溫?cái)嗔蚜鸭y在大塊板條狀硅化物中呈穿晶斷裂，在共晶組織中更傾向于沿晶斷裂。

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Microstructure and Room Temperature Fracture Toughness of Nb-Si Materials Alloyed by Rare Earth Elements (La,Sm,Tb)

GUO Feng-wei,KANG Yong-wang,XIAO Cheng-bo

(Key Laboratory of Advanced High Temperature Structural Materials,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Nb-20Ti-16Si-3Al-3Cr-2Hf alloy was prepared by non-consumable electrode arc-melting, alloyed with different content of rare earth elements La, Sm and Tb. Microstructures and phase composition were analyzed. The results show that (Nb,Ti) and Nb5Si3are the main phases. Diverse microstructures in different position of the ingots and coarse phase concentration are observed; eutectic grains and lath-like grains with large Nb5Si3phase as the core widely exist in these ingots; the eutectic grain contains lamellar structure internal and coarse “teeth like” structure external; the Nb5Si3phase in the center of lath-like grains persists straight interfaces and regular edges, which is surrounded by fine niobium silicide network and coarse dendritic niobium solid solution (Nbss) phase. Multiple linear regression is used to analyze the relationship of REEs’ content and room temperature fracture toughness of the alloy,result indicates that room temperature fracture toughness of these ingots is 11-15 MPa·m1/2. The regression equation of REEs’ content (Sm, La, Tb) to room temperature fracture toughnessKqisKq=10.344+6.896La+2.993Sm.

Nb-Si alloy;rare earth element;microstructure;room temperature fracture toughness

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.10.002

TG132.3+2;TF713.6

A

1001-4381(2016)10-0008-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51301156)

2015-12-29;

2016-02-20

康永旺(1979-)，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事金屬間化合物基超高溫結(jié)構(gòu)材料研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱1分箱(100095)，E-mail: ywkang1208@126.com