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Nb-Si鈮硅基合金新型超高溫材料航空航天合金
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.85978597.cn
更新時間：2014-11-01
Nb-Si基超高溫合金具有高熔點、低密度以及優(yōu)異的綜合性能，其目標使用溫度是比Ni基高溫合金提高200～300℃，有望應用于在1300～1500℃工作的燃氣渦輪發(fā)動機葉片以及空天飛行器超然沖壓發(fā)動機熱端部件上。
隨著高性能航空航天飛行器的發(fā)展，航空發(fā)動機熱端部件的工作溫度不斷提高，已經(jīng)超過鎳基高溫合金的極限溫度，因此，迫切需要尋求新型的超高溫材料以替代現(xiàn)有的Ni基高溫合金。上世紀末，美國空軍提出了要開發(fā)可在1400℃使用的材料，使發(fā)動機的推重比達到15～20。在過去的20多年中，難熔金屬硅化物以其高熔點、低密度和優(yōu)良的高溫性能等特點受到了越來越廣泛的關注。其中，Nb-Si?基合金(密度約為6.6～7.2?g/cm3，成為最有潛力的新型超高溫材料。
Nb-Si?基超高溫合金具有高熔點、低密度以及優(yōu)異的綜合性能，其目標使用溫度是比Ni基高溫合金提高200～300℃，有望應用于在1300～1500℃工作的燃氣渦輪發(fā)動機葉片以及空天飛行器超然沖壓發(fā)動機熱端部件上。Nb-Si?基超高溫合金依靠硅化物Nb5Si3相在高溫增強，鈮基固溶體相在室溫增韌，鉻化物Cr2Nb相提供更好的高溫抗氧化性能，以實現(xiàn)室溫韌性、高溫強度和高溫抗氧化性能的匹配。
Nb-Si?基超高溫合金的研發(fā)思想主要是通過加入韌性固溶體相，形成鈮基固溶體/Nb5Si3雙相復合材料，在保持優(yōu)良高溫強度的同時，改善其室溫韌性。
Nb-Si?基超高溫合金主要的合金化元素為Ti、Al、Cr、Hf、Zr、Mo、V、Ta、Sn、B?以及Ho?和Dy等稀土元素。目前國內(nèi)外研究的典型Nb-Si基合金的成分為:?Si?含量為12～18at%，Ti?含量為20～24at%，Cr含量為2～6at%，Al?含量為2～6at%，Hf含量為2～8at%，稀土元素的含量一般不超過5at%。
Nb-Si?基超高溫合金的制備方法和熱加工工藝有真空非自耗/自耗電弧熔煉、粉末冶金、定向凝固、物理氣相沉積、熱等靜壓、熱擠壓和燒結-鍛造等。國內(nèi)外有關Nb-Si?多元合金的報道中，綜合性能最優(yōu)異的是GE公司通過定向凝固法制備的Nb-24.7Ti-16Si-8.2Hf-2.0Cr-1.9Al?合金。該合金的組織是由鈮基固溶體、Nb3Si?板條以及少量Nb5Si3組成，組成相沿生長方向并列分布，其中鈮基固溶體的體積分數(shù)為54%，鈮基固溶體枝晶包括其二次枝晶臂的平均尺寸為24μm。該合金的斷裂韌性KIC約為19～22?MPa·m1/2，抗拉強度約為820MPa，1200℃的抗拉強度為370?MPa。由于該合金的密度較低，所以其比強度較高。另有報道，用擠壓+熱處理制備的Nb-10Si合金的抗拉強度可達800?MPa左右，但其延性低于0.5%。目前,研發(fā)工作的短期目標是1370℃在試驗臺暴露10?h氧化損失小于200μm?;?長期目標是1315℃/100?h氧化損失小于25μm。這些氧化性能的目標是要使Nb-Si基合金在1315℃獲得與目前二代單晶合金在1150℃?相同的氧化壽命。另有報道，美國GE公司用電弧熔煉和滴鑄技術制備出Nb硅化物的近終型葉片模擬件。葉片模擬件的全長約為150?mm。在該項技術中，先用傳統(tǒng)電弧熔煉將合金熔化，然后滴鑄到陶瓷基模殼中，氧化鋁基模殼采用傳統(tǒng)掛漿技術制備，表面有涂層，用于減小合金與模殼的反應程度。
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