| 题名 | 合金化和定向凝固对Nbss/Nb5Si3原位复合材料组织和性能的影响 |
| 作者 | 田玉新 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 叶恒强 |
| 关键词 | Nb/Nb5Si3原位复合材料 合金化 定向凝固 微观组织 机械性能 |
| 其他题名 | Effect of Alloying and Directional Solidification on Microstructure and Mechanical Properties of Nbss/Nb5Si3 Composities |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | Nb5Si3金属间化合物具有高熔点、低密度及较高的高温强度等特点，是有前途的新一代高温结构材料。然而，单相Nb5Si3在室温较低的塑性和韧性极大地限制了它的实际应用。为了解决这个关键问题，通过引入塑性Nbss相形成两相或多相Nb/Nb5Si3合金是非常有效的方法之一。但相对低强度Nbss的过量添加将显著降低其高温强度。通过合金化和定向凝固工艺可有效提高材料的性能。因此，本文采用电弧熔炼及定向凝固制备了不同成分的Nb/Nb5Si3原位复合材料，借助于X射线衍射术、扫描电子显微镜、透射电子显微镜及Gleeble1500压缩检测等分析测试手段，深入系统地研究了Nb/Nb5Si3原位复合材料的显微组织及力学性能。 铸态Nb-22Ti-16Si-xZr合金的组织是由Nbss，(Nb)3Si和γ(Nb)5Si3三相组成。Zr促进初生Nbss相的粗化及Nbss/γ(Nb)5Si3片层组织的形成。合金的室温屈服强度随Zr含量增加而增加，断裂应变随Zr含量增加，在Zr含量3 at.%时达到峰值。高温屈服强度随Zr含量增加先减小，随后在Zr含量3 at.%时达到最小值，然后再次增加。这些变化主要归因于Zr的加入而导致的合金组织和成分的改变。当无Zr时，初生Nbss粒子尺寸较小，在脆性相的约束下丧失其塑性变形的能力而呈现解理断裂。当加入Zr时，初生Nbss粒子尺寸的增大有助于界面剥离的发生，其断口呈现出穿晶解理和界面剥离混合断裂的特征。 Hf的添加显著地改变Nb-16Si合金的组织形貌。随Hf量的增加，组织显著细化，当Hf量增加到7at.%时，共晶团几乎消失。合金的断裂韧性随Hf量增加而增加，细小共晶组织的减小和初生Nbss相数量的增加都有利于合金断裂韧性的提高。Hf导致Nbss断裂模式从脆性解理过渡到塑性延伸。适量Hf的添加可以提高合金的高温强度，Hf含量为3at.%时合金的高温强度达到最大值。 1.5at.% Sn添加到Nb-20Ti-5Cr-3Al-18Si合金中，使组织没有发生明显的改变，Sn优先固溶到(Nb, Ti)ss而不是(Nb, Ti)5Si3中，Sn的添加降低了Cr在(Nb, Ti)ss中的固溶能力。Hf使细小的共晶组织消失，并且在(Nb, Ti)ss/β(Nb, Ti)5Si3两相界面形成一薄层富Hf的γ(Nb, Ti)5Si3相。Sn的添加使合金的强度降低，而塑性稍微增加，这归因于Cr在(Nb, Ti)ss中的固溶能力的下降。Hf的添加同时提高了合金的度和塑性，强度的增加是由于Hf的固溶强化作用；塑性增加是由于细小共晶组织的消失及富Hf的γ(Nb, Ti)5Si3相在相界的形成。因此，Hf对同时提高合金的强度和塑性是有益的。在室温，合金中β(Nb, Ti)5Si3相呈脆性断裂特征，而(Nb, Ti)ss出现明显的塑性变形，γ(Nb, Ti)5Si3呈现少量的塑性变形特征。 Ho添加到Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al-3Ta-2Hf合金中，细化了其微观组织，特别是减小了硅化物相粒子的尺寸，促进块状Ho2Hf2O7在(Nb, Ti)ss/(Nb, Ti)5Si3相界面处形成，抑制了(Ti, Nb)5Si3相的形成。适量Ho可改善合金的强度及塑性。在高应变速率下，微量Ho使合金的高温强度增加，而在较低的应变速率下，强化效应变弱。这种强化效应主要归因于Ho的添加导致的固溶强化和界面强化。含Ho合金的高温压缩行为可用温度补偿的幂规律方程表示为： ，动态回复和再结晶是其主要的软化机制。无Ho合金的断裂表面以解理断裂模式为主，而含Ho合金由于(Nb, Ti)ss局部塑性应变，断裂表面呈现混合断裂。 通过光悬浮区熔化炉成功制备了定向凝固的Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al-3Ta-2Hf -0.1Ho合金。生长速率的增加导致合金组织的细化，这表现为共晶胞尺寸，胞间宽度及相间距的减小。然而，生长速率的增加也导致铌硅化物片层的不连续生长。相对于常规铸态合金，定向凝固合金由于慢的凝固速率，其组织比较粗大，而且(Ti, Nb)5Si3相呈几乎连续网状分布在胞间区。纵向组织为片层硅化物平行于生长方向排列并镶嵌在(Nb, Ti)ss基体内。定向凝固合金在生长方向显示了(Nb, Ti)ss的(110)和(Nb, Ti)5Si3的(310)的强烈方向性。而常规铸态合金没有显示出优先生长方向。选区电子衍射分析表明，在(Nb, Ti)5Si3和(Nb, Ti)ss或(Ti, Nb)5Si3和(Nb, Ti)ss相之间不存在确定的取向关系。界面是干净的，但不是光滑平直的，也没有中间相存在，两种硅化物相和(Nb, Ti)ss相结合的都很好。定向凝固可提高合金的力学性能。但生长速率过快可导致铌硅化物片层的不连续生长，降低合金的力学性能。定向凝固合金断裂呈现出混和断裂特征，断口表面粗糙，(Nb,Ti)ss相发生明显的塑性变形，而常规铸态合金的断口表面相对平坦，(Nb,Ti)ss相出现局部的塑性变形。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 110 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17148]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 田玉新. 合金化和定向凝固对Nbss/Nb5Si3原位复合材料组织和性能的影响[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2008. |
| 个性服务 |
| 查看访问统计 |
| 相关权益政策 |
| 暂无数据 |
| 收藏/分享 |
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。
修改评论