熊俊杰，熊錦濤，謝小強(qiáng)，余向濤，鄧?yán)蚱迹?璇

(1. 南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，330063，南昌； 2. 南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，330063，南昌)

0 引言

傳統(tǒng)Ni基高溫合金由于材料熔點(diǎn)的限制，其使用溫度提高空間不大，然而隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，高溫部件的要求進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)Ni基高溫合金已不能滿足需求，必須尋求新型高溫結(jié)構(gòu)材料。難熔金屬由于熔點(diǎn)和使用溫度高，成為人們研究的熱點(diǎn)之一，其中，Nb基合金密度適中，同時(shí)具有良好的室溫塑韌性，成為難熔金屬中應(yīng)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(shí)際的高溫工程應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)Nb基合金高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性略顯不足，需進(jìn)一步深入研究。合金化是提高金屬材料高溫強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)度，使得Nb-Cr、Nb-Si和Nb-Cr-Si系多元合金得到了廣泛的關(guān)注[5-9]。

合金的制備方法同樣顯著影響其性能。相對(duì)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(xì)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(jī)械合金化+熱壓原位合成了具有微納米晶結(jié)構(gòu)的成分為Nb-22.5Cr的NbCr2/Nb兩相合金，對(duì)其室溫力學(xué)性能[14]、高溫?zé)岱€(wěn)定性[15]和高溫力學(xué)性能[5]進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，合金具有良好的室溫力學(xué)性能，一定的高溫強(qiáng)度，熱穩(wěn)定略顯不足。其室溫屈服強(qiáng)度和塑性應(yīng)變分別達(dá)到了2 476 MPa和5.48%；0.001 s-1應(yīng)變速率下，800 ℃時(shí)其高溫強(qiáng)度達(dá)到1 104.4 MPa，而1 200 ℃時(shí)其高溫強(qiáng)度為113.6 MPa，合金高溫強(qiáng)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(chǔ)上，添加不同含量的Si元素，探討Si含量對(duì)Nb-22.5Cr-xSi合金室溫組織及性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jiǎn)寫(xiě)為Nb-22.5 Cr- xSi)稱(chēng)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(jīng)反復(fù)的抽氣和充高純氬氣，以防止球磨過(guò)程中的氧化現(xiàn)象，球磨工藝為400 r/min×20 h。將球磨所得粉裝入Φ14 mm的高強(qiáng)度石墨模具中，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，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(guān)閉真空系統(tǒng)，得到相應(yīng)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(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分別對(duì)不同成分合金的物相和顯微組織進(jìn)行了表征；采用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)合金進(jìn)行了硬度測(cè)試(載荷1 kg，加載時(shí)間15 s)；采用WDW-50型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫壓縮試驗(yàn)(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(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行了表征；采用HV-50型維氏硬度計(jì)(載荷30 kg，加載時(shí)間15 s)測(cè)量硬度，利用壓痕法，根據(jù)公式(1)計(jì)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(zhǎng)度(μm)。

設(shè)2a為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，應(yīng)用上式計(jì)算KIC時(shí)，需滿足c≥2a，且裂紋尺寸不超過(guò)試樣厚度的1/10。

2 結(jié)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(dāng)Si的添加量較少時(shí)(5%)時(shí)，合金中僅含Nb相和NbCr2相，未發(fā)現(xiàn)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(jìn)一步增加(10%和15%)，合金中逐步出現(xiàn)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(guò)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(wú)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(xì)小均勻分布的NbCr2顆粒，組織較為致密；隨著Si含量的進(jìn)一步增加，組織中出現(xiàn)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(guò)程中，Nb5Si3顆粒和NbCr2顆粒的原位合成均需要原子的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)，使得第二相的合成需要更高溫度和更長(zhǎng)時(shí)間，而所有合金的機(jī)械合金化和熱壓工藝參數(shù)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(jié)果可知，相對(duì)于未添加Si的Nb-22.5Cr合金，Nb-22.5Cr-5Si合金中并未出現(xiàn)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(guò)程中不僅有Laves相NbCr2相的合成，同時(shí)伴隨合金元素Si在NbCr2中的擴(kuò)散，而NbCr2為典型的拓?fù)涿芘沤Y(jié)構(gòu)，單胞原子數(shù)24，原子排列緊密，擴(kuò)散速率較慢[17]，使得合金的致密度略有下降，導(dǎo)致硬度下降；隨著Si含量進(jìn)一步增加，合金中出現(xiàn)了新的硬質(zhì)相Nb5Si3，雖致密度下降會(huì)導(dǎo)致硬度下降，但硬質(zhì)相Nb5Si3所導(dǎo)致的硬度上升占主導(dǎo)，合金硬度呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)，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(duì)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(cè)試合金的斷裂韌性時(shí)，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(xiàn)了一些短裂紋，但尺寸不滿足公式(1)所需的條件，說(shuō)明合金具有較好的斷裂韌性；添加5Si后，合金壓痕無(wú)裂紋，這可能是因?yàn)橹旅芏鹊南陆?，少量的孔隙吸收一部分能力，從而?dǎo)致韌性的增加；繼續(xù)增加Si含量，由于Nb5Si3和Nb3Si等脆性相的出現(xiàn)，使得合金的韌性明顯下降，裂紋長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)。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(xué)性能

圖5為不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖5可知，隨著Si含量的升高，壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)。Nb-22.5Cr合金的壓縮強(qiáng)度和塑性應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)明顯的塑性變形階段，Nb-22.5Cr-5Si合金的壓縮強(qiáng)度和塑性應(yīng)變分別為3 144 MPa和13.2%；Si含量的持續(xù)增加，合金中硬脆相明顯增加，反而導(dǎo)致了其塑性明顯下降，同時(shí)強(qiáng)度下降，Nb-22.5Cr-15Si合金的壓縮強(qiáng)度下降為2 672 MPa，室溫下幾乎無(wú)塑性。

圖5 Nb-22.5Cr-xSi合金室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)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(tái)組成，合金表現(xiàn)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(xiàn)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(tái)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(jié)論

采用真空熱壓燒結(jié)制備了Nb-22.5Cr-xSi(x=0,5,10,15)合金，研究了隨著Si含量對(duì)合金組織及性能的影響。主要結(jié)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?yōu)镹b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(qiáng)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(xué)性能，Nb-22.5Cr-5Si合金的硬度，壓縮強(qiáng)度，塑性應(yīng)變分別是6.46 GPa，3 144 MPa和13.2%，同時(shí)具有良好的斷裂韌性。