Nb-22.5Cr-xSi合金组织及性能研究

熊俊杰，熊锦涛，谢小强，余向涛，邓莉萍，肖 璇

(1. 南昌航空大学材料科学与工程学院，330063，南昌； 2. 南昌航空大学航空制造工程学院，330063，南昌)

0 引言

传统Ni基高温合金由于材料熔点的限制，其使用温度提高空间不大，然而随着航空航天事业的发展，高温部件的要求进一步提高，传统Ni基高温合金已不能满足需求，必须寻求新型高温结构材料。难熔金属由于熔点和使用温度高，成为人们研究的热点之一，其中，Nb基合金密度适中，同时具有良好的室温塑韧性，成为难熔金属中应用最广泛的材料，用于1 000 ℃以上，尤其是1 200 ℃以上高温部件的候选材料之一[1]。

在实际的高温工程应用场合，传统Nb基合金高温强度和高温抗氧化性略显不足，需进一步深入研究。合金化是提高金属材料高温强度和高温抗氧化性的有效途径之一，其中，Cr、Al、Si等元素的添加可有效提供合金的高温抗氧化性[2-4]。与此同时，由于合金元素Cr、Si与Nb能形成NbCr2和Nb5Si3等金属间化合物，可明显提高Nb基合金的高温强度，使得Nb-Cr、Nb-Si和Nb-Cr-Si系多元合金得到了广泛的关注[5-9]。

合金的制备方法同样显著影响其性能。相对于真空非自耗熔铸法而言，粉末冶金方法，可明显改善合金的组织均匀性，并细化颗粒尺寸，从而显著提高合金的性能[10-13]、课题组前期采用机械合金化+热压原位合成了具有微纳米晶结构的成分为Nb-22.5Cr的NbCr2/Nb两相合金，对其室温力学性能[14]、高温热稳定性[15]和高温力学性能[5]进行了较为系统的研究，结果表明，合金具有良好的室温力学性能，一定的高温强度，热稳定略显不足。其室温屈服强度和塑性应变分别达到了2 476 MPa和5.48%；0.001 s-1应变速率下，800 ℃时其高温强度达到1 104.4 MPa，而1 200 ℃时其高温强度为113.6 MPa，合金高温强度随温度升高下降明显。

本文在前期研究成分为Nb-22.5Cr的NbCr2/Nb两相合金的基础上，添加不同含量的Si元素，探讨Si含量对Nb-22.5Cr-xSi合金室温组织及性能的影响。

1 实验过程

以Nb粉(-100目，99.5%)、Cr粉(-100目，99.5%)和Si粉(-400目，99.9%)为原料，按Nb-22.5%Cr-x%Si(x=0、5、10、15)(摩尔比)(简写为Nb-22.5 Cr- xSi)称取所需粉末。将3种元素粉末混合，放入250 mL不锈钢球磨罐中，配以适量不同直径的不锈钢小球(球料比13:1)，球磨罐经反复的抽气和充高纯氩气，以防止球磨过程中的氧化现象，球磨工艺为400 r/min×20 h。将球磨所得粉装入Φ14 mm的高强度石墨模具中，进行真空热压烧结，热压工艺为1 250 ℃×45 MPa ×30 min，单向压制，到温加压，冷至200 ℃以下关闭真空系统，得到相应的Nb-22.5 Cr- xSi合金试样。

采用D-8 ADVANCE 型X射线衍射仪和FEI Nova NanoSEM 450 型场发射扫描电子显微镜分别对不同成分合金的物相和显微组织进行了表征；采用HVS-1000型数显显微硬度计对合金进行了硬度测试(载荷1 kg，加载时间15 s)；采用WDW-50型电子式万能试验机进行室温压缩试验(试样尺寸Φ 4×6 mm，加载速度0.05 mm/min), 并利用FEI Nova NanoSEM 450 型场发射扫描电子显微镜对断口进行了表征；采用HV-50型维氏硬度计(载荷30 kg，加载时间15 s)测量硬度，利用压痕法，根据公式(1)计算合金的断裂韧度KIC，

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

(1)

式中：P为施加的载荷(N)；E为弹性模量(GPa)；H为维氏硬度值(GPa)；2c为尖角裂纹长度(μm)。

设2a为压痕对角线长度，应用上式计算KIC时，需满足c≥2a，且裂纹尺寸不超过试样厚度的1/10。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图1为不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的XRD图谱。由图1可知，当Si的添加量较少时(5%)时，合金中仅含Nb相和NbCr2相，未发现含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]；随着Si含量的进一步增加(10%和15%)，合金中逐步出现了Nb5Si3相和Nb3Si相，且主要为Nb5Si3相。

图1 Nb-22.5Cr-xSi合金的XRD图谱

2.2 组织分析

图2为不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的显微组织，其中图2(a)、(b)为二次电子成像；图2(c)、(d)为背散射成像。通过图2可知，未添加Si的Nb-22.5Cr合金组织(图2(a))由Nb固溶体和Laves相NbCr2两相组成，组织致密几乎无孔隙；少量Si添加的Nb-22.5Cr-5Si合金组织(图2(b))仍为Nb固溶体上细小均匀分布的NbCr2颗粒，组织较为致密；随着Si含量的进一步增加，组织中出现了Nb5Si3颗粒(灰色颗粒)(图2(c)、(d))，Nb-22.5Cr-15Si合金中的Nb5Si3颗粒比例明显增加。热压过程中，Nb5Si3颗粒和NbCr2颗粒的原位合成均需要原子的扩散实现，使得第二相的合成需要更高温度和更长时间，而所有合金的机械合金化和热压工艺参数均相同，使得Si含量高的合金的致密度有所下降，Nb-22.5Cr-15Si合金组织中有一定孔隙的存在。

(a)x=0；(b)x=5；(c)x=10；(d)x=15图2 不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金组织图

2.3 显微硬度分析

图3为不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的显微硬度变化曲线。由图3可知，随着Si含量的升高，显微硬度先降后升。由XRD的分析结果可知，相对于未添加Si的Nb-22.5Cr合金，Nb-22.5Cr-5Si合金中并未出现新相，仍由Nb固溶体相和Laves相NbCr2相组成，而合金元素Si主要存在于NbCr2相中[16]，热压过程中不仅有Laves相NbCr2相的合成，同时伴随合金元素Si在NbCr2中的扩散，而NbCr2为典型的拓扑密排结构，单胞原子数24，原子排列紧密，扩散速率较慢[17]，使得合金的致密度略有下降，导致硬度下降；随着Si含量进一步增加，合金中出现了新的硬质相Nb5Si3，虽致密度下降会导致硬度下降，但硬质相Nb5Si3所导致的硬度上升占主导，合金硬度呈现上升的变化趋势，Si含量越高，合金硬度提高越明显。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%。

图3 Si含量对Nb-22.5Cr-xSi合金显微硬度的影响

2.4 断裂韧度

图4是不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的压痕图。压痕法测试合金的断裂韧性时，同等条件下，裂纹越短合金的韧性越好。由图4可知，Nb-22.5Cr合金的压痕出现了一些短裂纹，但尺寸不满足公式(1)所需的条件，说明合金具有较好的断裂韧性；添加5Si后，合金压痕无裂纹，这可能是因为致密度的下降，少量的孔隙吸收一部分能力，从而导致韧性的增加；继续增加Si含量，由于Nb5Si3和Nb3Si等脆性相的出现，使得合金的韧性明显下降，裂纹长度逐渐变长。表1列出了4种合金的断裂韧度。

(a)x=0；(b)x=5；(c)x=10；(d)x=15图4 Nb-22.5Cr-xSi合金压痕图

表1 Nb-22.5Cr-xSi合金断裂韧度

2.5 室温压缩力学性能

图5为不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的室温压缩应力应变曲线。由图5可知，随着Si含量的升高，压缩强度呈现先升后降的变化趋势。Nb-22.5Cr合金的压缩强度和塑性应变分别为2 760 MPa和5.48%；少量Si的添加提高了合金的塑韧性，应力应变曲线上出现明显的塑性变形阶段，Nb-22.5Cr-5Si合金的压缩强度和塑性应变分别为3 144 MPa和13.2%；Si含量的持续增加，合金中硬脆相明显增加，反而导致了其塑性明显下降，同时强度下降，Nb-22.5Cr-15Si合金的压缩强度下降为2 672 MPa，室温下几乎无塑性。

图5 Nb-22.5Cr-xSi合金室温压缩应力-应变曲线

图6为不同Si含量的Nb-22.5Cr-xSi合金的压缩断口形貌。由图6可知，Nb-22.5Cr合金断口主要由撕裂棱、少量的小韧窝和解理平台组成，合金表现出一定的塑性变形能力；Nb-22.5Cr-5Si合金断口主要由大量的小韧窝，一定的撕裂棱组成，合金表现为良好的塑性变形能力；而Nb-22.5Cr-10Si合金和Nb-22.5Cr-15Si合金断口主要为解理平台和河流花样，即合金塑性变形能力差。

(a)x=0；(b)x=5；(c)x=10；(d)x=15图6 Nb-22.5Cr-xSi合金室温压缩断口形貌

3 结论

采用真空热压烧结制备了Nb-22.5Cr-xSi(x=0,5,10,15)合金，研究了随着Si含量对合金组织及性能的影响。主要结论如下。

1)随着Si含量的增加，合金由Nb固溶体和Laves相NbCr2两相组成逐步变为Nb固溶体、Laves相NbCr2、Nb5Si3和少量Nb3Si四相组成，合金的致密度略有下降。

2)随着Si含量的增加，合金硬度先降后升；而断裂韧性和室温压缩强度均先升后降。适量Si的添加，可有效提高Nb-22.5Cr合金的室温力学性能，Nb-22.5Cr-5Si合金的硬度，压缩强度，塑性应变分别是6.46 GPa，3 144 MPa和13.2%，同时具有良好的断裂韧性。