大体积分数Laves相Cr-Nb-Ti三元合金定向共生生长与相选择研究

Laves相Cr2Nb作为高温结构材料有良好的高温强度和蠕变抗力，但是低的室温脆性使其难以实现工业化的应用。本课题通过在Laves相添加合金化元素Ti，并用高温梯度定向凝固技术开展大体积分数Laves相Cr-Nb-Ti合金自生复合材料共生生长及相选择研究，探讨Laves相合金凝固组织中溶质偏析、晶体生长形态和相的竞争生长与选择的作用机制和凝固组织形成规律。制备出体积分数超过60%的Laves相的Cr2(Nb,Ti)/Cr三元合金共生复合材料，揭示其共生区形状，获得定向凝固工艺参数及合金化元素Ti对Laves相Cr2(Nb,Ti)生长形态的影响。探讨通过合金化、细化共晶组织和韧性金属Cr相提高Cr2(Nb,Ti)/Cr三元合金共生复合材料的力学性能（尤其是室温脆性）的途径，从而为Cr2(Nb,Ti)/Cr三元合金高温结构材料工业化应用提供技术基础。

Laves相Cr2Nb基合金具有很高的熔点，较低的密度，优异的高温强度，良好的高温抗蠕变性以及抗腐蚀性，是极具发展潜力的新型高温结构材料，但其严重的室温脆性阻碍了工程化应用。针对该问题，项目通过添加合金化元素Ti，来研究其对Laves相Cr2Nb合金凝固组织与性能的影响，研究取得主要结果如下：.（1）Cr2Nb-xTi (x=5, 10, 15at%)合金快速凝固组织主要由C15-Cr2(Nb,Ti)相和六方的(Ti,Nb)和体心立方结构的β-(Nb,Ti)相组成。随着Ti 含量增加，合金硬度从8.3GPa下降到7.3GPa，断裂韧性从1.6提高到3.1MPam1/2，为Laves单相Cr2Nb一倍。另外15Ti合金的腐蚀速率与1Cr18Ni9Ti不锈钢相当，是5Ti合金的40倍，说明Laves相Cr2Nb有可能作为耐腐材料使用。.（2）Cr2Nb-xTi(x=20,30,40at%)合金凝固组织由C15-Cr2(Nb，Ti)、富Nb和Tiss相组成，三种合金中Laves相的体积分数都大于58%。且随Ti含量的增加，合金的断裂韧性从3.985提高到8.985 MPam1/2，相比于Laves单相Cr2Nb（1.4 MPam1/2），有近7倍的提高。.（3）定向凝固Cr2Nb-20Ti和Cr2Nb-40Ti合金在5、10、20、100、200μm/s速率下的组织均由C15-Cr2Nb和β-Tiss两相构成，其中高温β-Tiss替代低温相α-Tiss。实验中C15-Cr2Nb衍射峰以（220）、（311）、（222）晶面为主，（220）晶面衍射强度较大，为C15-Cr2Nb的择优取向晶面。同时，在Cr2Nb-40Ti合金中，200μm/s定向凝固下β-Tiss会替代C15-Cr2Nb作为领先相出现。.（4）Cr-Cr2Nb复相合金中，添加2at.%的合金化元素Ti后，Cr-12%Nb-2%Ti合金断裂韧性得到了大幅度提高，达到20 MPam1/2，而在过共晶Cr-20%Nb-2%Ti也达到了12.5MPam1/2，分别是单相Cr2Nb的14倍和8倍。.项目研究表明，采用第二相Cr增韧、合金化元素Ti以及定向凝固的工艺方法可以将Laves相Cr2Nb基合金的断裂韧性提高到15 MPam1/2以上，同时也能控制C15-Cr2Nb合金的择优择优取向和领先相的生长。