合金化对Nb-Si合金组织及力学性能的影响

作     者：刘仁慈 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏彦庆

授予年度：2009年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Nb-Si合金 合金化 凝固过程 微观组织 力学性能 

摘      要：Nb-Si基原位自生复合材料是极具开发利用价值的下一代高温结构材料,但其室温韧性差的弱点制约了其进一步发展应用。本文研究合金化对Nb-Si合金微观组织及性能的影响;通过金相显微镜、扫描电镜、XRD、透射电镜研究了合金化后Nb-Si合金的凝固组织演化及晶体结构;利用定量图像分析软件分析了合金化后固溶体的体积分数和尺寸变化;通过Gleeble-1500热模拟机、万能材料试验机和显微硬度计测试了合金化、热处理后材料力学性能变化。 Nb-18Si为共晶,Nb的中值直径在1.5μm左右,Nb的体积分数为37%;Nb-16Si为亚共晶,由初生Nb与Nb+NbSi共晶组成;热处理后,部分NbSi相发生共析转变,但转变速度慢;室温压缩下,上述合金均发生正向断裂,没有明显的塑性变形,且Nb-16Si合金中的初生Nb发生穿晶解理断裂,其抗压强度大于Nb-18Si合金。 Nb-18Si-xTi为过共晶,初生相为NbSi,Ti含量不少于20at.%时,合金凝固过程中产生Nb+γ-NbSi共晶,Nb的中值直径增大明显,而体积分数随着Ti含量的增加而增大;Nb-16Si-xTi为亚共晶,Nb-16Si-30Ti产生Nb+γ-NbSi共晶组织;热处理后,部分NbSi相发生共析转变,但转变速度慢;室温压缩下,合金发生假塑性断裂,没有明显的塑性变形,由于初生NbSi相的存在,合金的抗压强度得到极大的提高。 Nb-18Si-xZr为共晶,在Zr含量不少于3at.%时,合金中产生Nb+β-NbSi共晶;Nb的中值直径较Nb-18Si有所减小,不到1μm,且随着Zr含量的增加而增大;Nb的体积分数随着Zr含量的增加而增大;热处理后后,NbSi相发生共析转变;随着Zr含量的增加,合金共析转变明显。合金硬度在合金化后有所下降。 Nb-18Si-16Ti-xZr为过共晶,且初生NbSi相的体积分数随着Zr含量的增加而减小,而Nb+β-NbSi共晶体积分数增大;电弧熔炼态合金中的NbSi发生部分共析转变,形成较好的Nb+α-NbSi片层组织;而共晶Nb+β-NbSi在热处理后,组织变化不大。 Nb-18Si-16Ti-xHf为过共晶,合金中Nb+γ-NbSi共晶的体积分数随着Hf含量的增加而增大,但当Hf含量为11at.%时,合金中产生NbSi+NbSi共晶。在1523K保温10h后,部分NbSi相都是以晶界的NbSi作为形核衬底发生共析转变,其中Nb-18Si-16Ti-5Hf合金形成片层Nb+NbSi组织,而其他合金则形成粗大的NbSi相。 Nb-16Si-18Ti-xB合金发生L→Nb+α-NbSi共晶转变,不生成Nb+NbSi共晶。Nb的中值直径和体积分数都呈现出先增加后减小的趋势,其中Nb-16Si-18Ti-1B合金中Nb的中值直径和体积分数最大,分别达到3.71μm和55%。当B含量达到3at.%时,合金中出现初生α-NbSi相;而Nb-18Si-16Ti-1B合金中产生了初生NbSi相,尔后发生L→α-NbSi+Nb共晶转变。Nb+α-NbSi共晶在1523K保温10h后仍具有较好的组织高温稳定性。室温压缩下,合金发生假塑性断裂,有一定的塑性变形,Nb-16Si-18Ti-1B合金的强度最大,达到2322MPa。合金在1473K高温下速率为2×10-3/s压缩,材料的热塑性得到较好的改善,尤其以Nb-16Si-18Ti-1B合金最佳;材料的室温屈服强度与高温屈服强度呈互补关系,这与合金中的物相体积分数有关。