Nb-22.5Cr-xSi合金組織及性能研究

熊俊杰，熊錦濤，謝小強，余向濤，鄧莉萍，肖 璇

(1. 南昌航空大學材料科學與工程學院，330063，南昌； 2. 南昌航空大學航空制造工程學院，330063，南昌)

0 引言

傳統Ni基高溫合金由于材料熔點的限制，其使用溫度提高空間不大，然而隨著航空航天事業的發展，高溫部件的要求進一步提高，傳統Ni基高溫合金已不能滿足需求，必須尋求新型高溫結構材料。難熔金屬由于熔點和使用溫度高，成為人們研究的熱點之一，其中，Nb基合金密度適中，同時具有良好的室溫塑韌性，成為難熔金屬中應用最廣泛的材料，用于1 000 ℃以上，尤其是1 200 ℃以上高溫部件的候選材料之一[1]。

在實際的高溫工程應用場合，傳統Nb基合金高溫強度和高溫抗氧化性略顯不足，需進一步深入研究。合金化是提高金屬材料高溫強度和高溫抗氧化性的有效途徑之一，其中，Cr、Al、Si等元素的添加可有效提供合金的高溫抗氧化性[2-4]。與此同時，由于合金元素Cr、Si與Nb能形成NbCr2和Nb5Si3等金屬間化合物，可明顯提高Nb基合金的高溫強度，使得Nb-Cr、Nb-Si和Nb-Cr-Si系多元合金得到了廣泛的關注[5-9]。

合金的制備方法同樣顯著影響其性能。相對于真空非自耗熔鑄法而言，粉末冶金方法，可明顯改善合金的組織均勻性，并細化顆粒尺寸，從而顯著提高合金的性能[10-13]、課題組前期采用機械合金化+熱壓原位合成了具有微納米晶結構的成分為Nb-22.5Cr的NbCr2/Nb兩相合金，對其室溫力學性能[14]、高溫熱穩定性[15]和高溫力學性能[5]進行了較為系統的研究，結果表明，合金具有良好的室溫力學性能，一定的高溫強度，熱穩定略顯不足。其室溫屈服強度和塑性應變分別達到了2 476 MPa和5.48%；0.001 s-1應變速率下，800 ℃時其高溫強度達到1 104.4 MPa，而1 200 ℃時其高溫強度為113.6 MPa，合金高溫強度隨溫度升高下降明顯。

本文在前期研究成分為Nb-22.5Cr的NbCr2/Nb兩相合金的基礎上，添加不同含量的Si元素，探討Si含量對Nb-22.5Cr-xSi合金室溫組織及性能的影響。

1 實驗過程

以Nb粉(-100目，99.5%)、Cr粉(-100目，99.5%)和Si粉(-400目，99.9%)為原料，按Nb-22.5%Cr-x%Si(x=0、5、10、15)(摩爾比)(簡寫為Nb-22.5 Cr- xSi)稱取所需粉末。將3種元素粉末混合，放入250 mL不銹鋼球磨罐中，配以適量不同直徑的不銹鋼小球(球料比13:1)，球磨罐經反復的抽氣和充高純氬氣，以防止球磨過程中的氧化現象，球磨工藝為400 r/min×20 h。將球磨所得粉裝入Φ14 mm的高強度石墨模具中，進行真空熱壓燒結，熱壓工藝為1 250 ℃×45 MPa ×30 min，單向壓制，到溫加壓，冷至200 ℃以下關閉真空系統，得到相應的Nb-22.5 Cr- xSi合金試樣。

采用D-8 ADVANCE 型X射線衍射儀和FEI Nova NanoSEM 450 型場發射掃描電子顯微鏡分別對不同成分合金的物相和顯微組織進行了表征；采用HVS-1000型數顯顯微硬度計對合金進行了硬度測試(載荷1 kg，加載時間15 s)；采用WDW-50型電子式萬能試驗機進行室溫壓縮試驗(試樣尺寸Φ 4×6 mm，加載速度0.05 mm/min), 并利用FEI Nova NanoSEM 450 型場發射掃描電子顯微鏡對斷口進行了表征；采用HV-50型維氏硬度計(載荷30 kg，加載時間15 s)測量硬度，利用壓痕法，根據公式(1)計算合金的斷裂韌度KIC，

KIC=0.02(E/H)1/2P/c3/2

(1)

式中：P為施加的載荷(N)；E為彈性模量(GPa)；H為維氏硬度值(GPa)；2c為尖角裂紋長度(μm)。

設2a為壓痕對角線長度，應用上式計算KIC時，需滿足c≥2a，且裂紋尺寸不超過試樣厚度的1/10。

2 結果與討論

2.1 物相分析

圖1為不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的XRD圖譜。由圖1可知，當Si的添加量較少時(5%)時，合金中僅含Nb相和NbCr2相，未發現含Si的其他物相存在。前期研究表明，Nb-22.5Cr-5Si中Si主要存在于NbCr2相[16]；隨著Si含量的進一步增加(10%和15%)，合金中逐步出現了Nb5Si3相和Nb3Si相，且主要為Nb5Si3相。

圖1 Nb-22.5Cr-xSi合金的XRD圖譜

2.2 組織分析

圖2為不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的顯微組織，其中圖2(a)、(b)為二次電子成像；圖2(c)、(d)為背散射成像。通過圖2可知，未添加Si的Nb-22.5Cr合金組織(圖2(a))由Nb固溶體和Laves相NbCr2兩相組成，組織致密幾乎無孔隙；少量Si添加的Nb-22.5Cr-5Si合金組織(圖2(b))仍為Nb固溶體上細小均勻分布的NbCr2顆粒，組織較為致密；隨著Si含量的進一步增加，組織中出現了Nb5Si3顆粒(灰色顆粒)(圖2(c)、(d))，Nb-22.5Cr-15Si合金中的Nb5Si3顆粒比例明顯增加。熱壓過程中，Nb5Si3顆粒和NbCr2顆粒的原位合成均需要原子的擴散實現，使得第二相的合成需要更高溫度和更長時間，而所有合金的機械合金化和熱壓工藝參數均相同，使得Si含量高的合金的致密度有所下降，Nb-22.5Cr-15Si合金組織中有一定孔隙的存在。

(a)x=0；(b)x=5；(c)x=10；(d)x=15圖2 不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金組織圖

2.3 顯微硬度分析

圖3為不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的顯微硬度變化曲線。由圖3可知，隨著Si含量的升高，顯微硬度先降后升。由XRD的分析結果可知，相對于未添加Si的Nb-22.5Cr合金，Nb-22.5Cr-5Si合金中并未出現新相，仍由Nb固溶體相和Laves相NbCr2相組成，而合金元素Si主要存在于NbCr2相中[16]，熱壓過程中不僅有Laves相NbCr2相的合成，同時伴隨合金元素Si在NbCr2中的擴散，而NbCr2為典型的拓撲密排結構，單胞原子數24，原子排列緊密，擴散速率較慢[17]，使得合金的致密度略有下降，導致硬度下降；隨著Si含量進一步增加，合金中出現了新的硬質相Nb5Si3，雖致密度下降會導致硬度下降，但硬質相Nb5Si3所導致的硬度上升占主導，合金硬度呈現上升的變化趨勢，Si含量越高，合金硬度提高越明顯。添加15at%Si后，合金硬度由未添加的7.31 GPa提高至 9.45 GPa，提高了29.3%。

圖3 Si含量對Nb-22.5Cr-xSi合金顯微硬度的影響

2.4 斷裂韌度

圖4是不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的壓痕圖。壓痕法測試合金的斷裂韌性時，同等條件下，裂紋越短合金的韌性越好。由圖4可知，Nb-22.5Cr合金的壓痕出現了一些短裂紋，但尺寸不滿足公式(1)所需的條件，說明合金具有較好的斷裂韌性；添加5Si后，合金壓痕無裂紋，這可能是因為致密度的下降，少量的孔隙吸收一部分能力，從而導致韌性的增加；繼續增加Si含量，由于Nb5Si3和Nb3Si等脆性相的出現，使得合金的韌性明顯下降，裂紋長度逐漸變長。表1列出了4種合金的斷裂韌度。

(a)x=0；(b)x=5；(c)x=10；(d)x=15圖4 Nb-22.5Cr-xSi合金壓痕圖

表1 Nb-22.5Cr-xSi合金斷裂韌度

2.5 室溫壓縮力學性能

圖5為不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的室溫壓縮應力應變曲線。由圖5可知，隨著Si含量的升高，壓縮強度呈現先升后降的變化趨勢。Nb-22.5Cr合金的壓縮強度和塑性應變分別為2 760 MPa和5.48%；少量Si的添加提高了合金的塑韌性，應力應變曲線上出現明顯的塑性變形階段，Nb-22.5Cr-5Si合金的壓縮強度和塑性應變分別為3 144 MPa和13.2%；Si含量的持續增加，合金中硬脆相明顯增加，反而導致了其塑性明顯下降，同時強度下降，Nb-22.5Cr-15Si合金的壓縮強度下降為2 672 MPa，室溫下幾乎無塑性。

圖5 Nb-22.5Cr-xSi合金室溫壓縮應力-應變曲線

圖6為不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的壓縮斷口形貌。由圖6可知，Nb-22.5Cr合金斷口主要由撕裂棱、少量的小韌窩和解理平臺組成，合金表現出一定的塑性變形能力；Nb-22.5Cr-5Si合金斷口主要由大量的小韌窩，一定的撕裂棱組成，合金表現為良好的塑性變形能力；而Nb-22.5Cr-10Si合金和Nb-22.5Cr-15Si合金斷口主要為解理平臺和河流花樣，即合金塑性變形能力差。

(a)x=0；(b)x=5；(c)x=10；(d)x=15圖6 Nb-22.5Cr-xSi合金室溫壓縮斷口形貌

3 結論

采用真空熱壓燒結制備了Nb-22.5Cr-xSi(x=0,5,10,15)合金，研究了隨著Si含量對合金組織及性能的影響。主要結論如下。

1)隨著Si含量的增加，合金由Nb固溶體和Laves相NbCr2兩相組成逐步變為Nb固溶體、Laves相NbCr2、Nb5Si3和少量Nb3Si四相組成，合金的致密度略有下降。

2)隨著Si含量的增加，合金硬度先降后升；而斷裂韌性和室溫壓縮強度均先升后降。適量Si的添加，可有效提高Nb-22.5Cr合金的室溫力學性能，Nb-22.5Cr-5Si合金的硬度，壓縮強度，塑性應變分別是6.46 GPa，3 144 MPa和13.2%，同時具有良好的斷裂韌性。