元素摻雜對Laves相NbCr2化合物組織和力學性能影響的研究進展

萬鵬

摘 要：Laves相NbCr2合金具有非常高的高溫強度，高溫下有著良好的力學性能及斷裂韌性。從元素摻雜對Laves相NbCr2化合物組織和力學性能影響的研究進展進行了綜述，重點對Laves相NbCr2的斷裂韌性和高溫抗氧化性兩方面的元素摻雜研究現狀進行了論述。

關鍵詞：Laves相；NbCr2；元素摻雜；斷裂韌性；高溫抗氧化性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.264

隨著航空航天技術的快速發展，提升航空發動機的主要方向在提高效率和推重比上，而要使發動機具備更高的工作效率及推重比，必須適應更高的工作溫度，高溫結構材料需求日益增大[1]。過渡金屬Laves相基合金被認為是具有超越鎳基合金應用潛力的新型高溫結構材料的候選之一，其中難熔金屬Nb和合金元素Cr形成的Laves相NbCr2不僅具有熔點高、比重適當以及高溫下力學性能良好的特點，而且其性能介于陶瓷材料和金屬材料之間，是近年來材料領域的研究熱點之一[2]。然而，Laves相NbCr2合金也存在一些缺陷，在室溫下非常脆，其室溫脆性限制和阻礙了該合金的工程應用。針對NbCr2合金室溫韌性差等問題，許多學者進行了大量的研究，本文對Laves相NbCr2合金的增韌機制和氧化機理進行了闡述，重點從斷裂韌性和高溫抗氧化性兩方面，綜述了元素摻雜對Laves相NbCr2化合物組織和力學性能影響的研究現狀及相關研究成果。

1 Laves相NbCr2金屬間化合物的韌化效應

1.1 Laves相NbCr2的韌化機制

Laves相是具有分子式AB2型和拓撲密排晶體結構最豐富的金屬間化合物，一個突出的例子是NbCr2。Laves相NbCr2合金晶體的常見結構類型有三種：密排六方C14（MgZn2型）、面心立方C15（MgCu2型）和雙密排六方C36（MgNi2型）。在三種晶體結構中，每種晶體結構的基本堆垛單元都是由四層原子面組成，大原子Nb和小原子Cr各占兩層原子面[3]。其中對于C15型Laves相NbCr2合金，其合金彌散分布于基體組織中，且位錯運動到Laves相的棱錐面上時，由于棱錐面與位錯運動方向的不一致性，其運動趨勢將會受到阻礙甚至會停止，位錯會以攀移的方式到相鄰的Laves相面進行滑移。

而材料的斷裂韌性是材料塑性與強度的綜合體現，是斷裂過程中所需要能量的參量。通過上述對C15型NbCr2 的結構和特征的簡要介紹，Laves相NbCr2的室溫韌性是其固有脆性的結果。

1.2 元素摻雜對斷裂韌性的影響

元素摻雜是改善金屬間化合物室溫脆性和提高力學性能的一種非常有效和常見的措施，也是影響金屬間化合物的斷裂韌性的一個至關重要的因素。在合金成分方面，由于合金的加入會改變相變趨勢和速率，并發生結構占位和阻礙位錯運動等現象，進而引起合金組織的改變。

目前，作為合金元素進行研究的有Ti、Fe、Nb、Mo、V等。姚強等[4-6]對過渡金屬元素V、Ti和W在C15結構中的 Laves相NbCr2中的晶格占位進行了較為系統的研究。與C15單相NbCr2合金相比，添加5% V使鑄態合金中既沒有微孿晶也沒有堆垛層錯，而在添加Mo、W的三元合金中有許多微孿晶和層錯。在添加Mo、W的合金中觀察到高溫相C14或C36的存在，說明V的添加提高C15相的穩定性，而Mo和W降低了C15相的穩定性[7]。由于雜質污染一直伴隨著機械合金化全過程，如磨球中的Fe元素和篩分時的分體污染等問題。因此，為了盡可能減少雜質污染幾率、降低雜質含量以及球磨粉體的粒徑在納米范圍，可以把機械球磨和熱壓燒結相結合在一起用于制備Laves相合金。

2 Laves相NbCr2金屬間化合物的高溫抗氧化性

2.1 Laves相NbCr2的抗氧化機理

由于Laves相NbCr2合金的高熔點和室溫致脆性，若采用濕砂型鑄造則在低溫階段就可能發生裂紋傾向且不易控制溫度梯度等現象，因此首選采用熔模鑄造。由于熔鑄法制備出的Laves相NbCr2合金綜合性能較差，研究者通過采用機械合金方法來細化粉末晶粒，在受外力的作用下，晶粒內部和晶界附近的應變度相差較小，變形較均勻，并其晶界密度提高，致使一些初發微裂紋能夠彌合，不易生成或傳播，因而穩定性得到改善。

薛云龍等[8]采用定向凝固方法來控制Laves相NbCr2-20Ti合金定向組織和形態，合金在不同定向凝固速率下的組織均由C15-NbCr2和β-Ti 兩相構成，高溫相β-Ti的形成是由于Cr的穩定化作用所致，并隨著凝固速率的增加，C15- NbCr2枝晶逐漸分裂，枝晶生長方向越偏向擇優取向，凝固組織變細。最終達到較好的高溫抗氧化性。

2.2 元素摻雜對高溫抗氧化性的影響

元素摻雜也是影響金屬間化合物的高溫抗氧化性能和其熱穩定性的一個至關重要的因素。雖然元素摻雜后的金屬間化合物相的穩定性不能只從幾何填充因素方面考慮，但是，由于添加合金元素進而改變其合金相或第二相的鍵能和位錯層能，達到改善其變形能力和熱穩定性目的。

Yoshida等對含有5%V的Laves相NbCr2合金在1623K時的高溫變形后，其C15結構的穩定性和高溫塑性都有很大的提高。在Laves相NbCr2合金化的二元或多元系中，Laves相的相轉變和穩定性與晶格或電子等因素的改變有關。許多研究學者為了研制出高溫結構材料的連續使用上限溫度，付浩等對鈮基合金進行了高溫強化性能研究，結果表明，添加了W、Mo元素的合金，可與基體形成合金化固溶體，從而提高材料的高溫蠕變性能。而添加C和Zr元素后，形成碳化物強化相，在經過1600-1900℃的長時間保溫后使得碳化物分布均勻，最終達到細化。

3 結束語

室溫脆性和高溫抗氧化性是Laves相NbCr2發展的兩個關鍵因素作為潛在的高溫結構材料， Laves相NbCr2在高溫力學、高溫抗氧化和高溫穩定性能方面已顯示出非凡的潛力。人們對Laves相NbCr2相結構和變性特征機理的深入認識， 并且隨著新理念、新技術和新工藝的不斷推進，Laves相NbCr2的高溫穩定性會取得較大的提高。可以相信， 將對我國的航空航天事業， 特別是國防工業的飛速發展有著極大地促進作用，并加快Laves相NbCr2合金作為新型高溫結構材料的工程化應用進程具有重要意義。endprint

參考文獻：

[1]張躍學，李斌，張軍峰等.高推重比航空發動機部件匹配研究[J].航空發動機，2012，38（01）：13-20.

[2]Shibano R，Yamanaka Y，Okada N，et al.Ab，initio study of stacking faults and deformation mechanism in C15 Laves phases Cr2 X （X=Nb， Zr， Hf）[J].Materials Chemistry and Physics，2014，143（02）：702-706.

[3]魯世強，黃伯云，賀躍輝等.Laves相合金的物理冶金特性[J].材料導報，2003，17（01）：11-13.

[4]Yao Q，Sun J，Zhang Y，et al.First-principles studies of ternary site occupancy in the C15NbCr2 Laves phase. Acta Materialia，2006，54（13）：3585-3591.

[5]Yao Q，Sun J，Lin D，et al.First-principles studies of defects，mechanical properties and lectronic structure of Cr-based Laves phases.Intermetallics，2007，15（5-6）：694-699.

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[7]Yoshida M，Takasugi T.The alloying effect on the high temperature deformation of Laves phase NbCr2，intermetallic compound[J].Materials Science and Engineering A，1997， 234（97）：873-876.

[8]薛云龍，李雙明，李克偉等.Laves相Cr_2Nb-20Ti合金定向凝固組織與取向生長[J].稀有金屬材料與工程，2015（02）：375-380.endprint