Nb-Ti-Si-Al四元体系元素交互作用和相图热力学研究

Advanced Nb-Si based ultrahigh temperature alloys are prospectively applied at the temperatures of 1200°C–1400°C, as potential high-temperature aircraft engine turbine materials. An accurate knowledge of multi-component phase diagram is theoretical principle for compositional design, and the Nb-Ti-Si-Al quaternary is a critical constitute to construct multi-component Nb-Si system. The primary objective of this grant is proposed to obtain the phase equilibria of the Nb-Ti-Si-Al quaternary system by Calculation of Phase Diagram (Calphad ) approach. Based on the thermodynamic descriptions of constitute ternary systems and experimental examinations of quaternery alloys, the influences of multi-element interaction on thermodynamic stability of each phase are investigated, the phase relationships in the entire compositional range are determined, then reliable thermodynamic descriptions are optimized. On the basis of phase equilibira in Nb rich corner, the alloying effects of Ti and Al on typical Nb-Si based microstructures are clarified afterwards, which proves scientific foundation for the design of Nb-Si based ultrahigh temperature alloys.

新型Nb-Si基超高温合金有潜力应用在1200°C–1400°C，可望成为新一代航空发动机叶片的候选材料。完善的多元相图是指导Nb-Si基合金成分设计的依据，Nb-Ti-Si-Al四元体系是组成Nb-Si多元系统的一个重要单元，本项目采用计算相图（Calphad）技术研究该四元体系的相平衡。基于边界三元体系的热力学描述和四元合金的实验测定，明确元素交互作用对各相热稳定性的影响，构筑Nb-Ti-Si-Al四元体系全局的相拓扑关系，优化获得自洽的热力学描述。依据富Nb角的相平衡，揭示合金化元素Ti和Al对Nb-Si基合金组织的影响机制，为Nb-Si基超高温合金设计奠定科学基础。

Nb-Si基超高温合金由于高熔点、低密度和良好的力学性能而引起关注，Ti和Al都是对Nb-Si基超高温合金的性能有益的元素。另外，TiAl基合金由于具有良好的力学性能和阻燃性能，其在航空发动机上拥有良好的应用前景。Nb和Si是Ti-Al体系合金重要的合金化元素。综合以上两个方面，Nb-Ti-Si-Al体系对于Nb-Si合金和TiAl合金都是重要的四元系统。.本研究采用平衡合金法和Calphad技术进行Nb-Ti-Si-Al四元体系的相平衡研究。首先进行Nb-Si-Al和Ti-Si-Al两个边界三元体系的热力学优化，获得能够兼容其他低元体系、外推至高元体系的热力学描述；第二，将四个三元体系的热力学参数外推至四元体系，进行初步的相平衡计算并依此选取关键合金，采用非自耗真空电弧熔炼制备合金，进行铸态合金微观组织和不同状态的热处理微观组织分析，分析合金中出现的典型相平衡。分析各相的稳定性范围和成分特点，硅化物相中(Nb+Ti)：(Si+Al)的比例基本保持固定，具有较大成分区间的非化学计量比相Nb3Al和TiAl等铝化物则存在Nb、Ti、Si和Al 四个元素的固溶和相互作用。进行热力学参数的优化，直到所得的一套热力学参数能够再现大部分的实验测定数据，明晰在热力学优化过程中影响相平衡关系的重要热力学参数。进行一系列等温截面计算，确立了在四元空间出现的BCC+Nb5Si3、BCC+Ti5Si3和BCC+(Nb,Ti)3Si等两相平衡，BCC+Nb5Si3+(Nb,Ti)3Si、BCC+Nb5Si3+Nb3Al、Nb5Si3+Ti5Si3+Nb3Al和Nb5Si3+Ti5Si3+TiAl等三相平衡，以及(Nb)+Nb5Si3+Ti5Si3+Nb3Al和(Nb)+Nb5Si3+Ti5Si3+Nb3Si两个四相平衡。进行液相投影面的计算，确定初生相区。构建整个四元体系的相平衡关系，明晰重要的相平衡特点。第三，通过进行对比不同成分合金，阐明Ti和Al的交互作用对断裂韧性和硬度等力学性能的影响。第四，分析合金中高含量Al对Nb-Si合金抗氧化涂层的影响，明确Al在涂层中的分布和对涂层结构的影响，揭示Al提高涂层结合力和抗氧化性能的机制。上述研究成果可以为Nb-Si体系的合金组织及性能控制提供参考，为设计和开发性能优良的高温结构材料提供理论基础。