液态金属冷却定向凝固Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf多相亚共晶合金的组织形成机理和控制

新型多元Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf多相亚共晶合金有潜力在1200℃~1400℃应用，需要对该合金的定向凝固工艺和组织形成机理进行深入研究，大温度梯度液态金属冷却定向凝固技术是制备该类合金的重要手段。本项目重点研究Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf多相亚共晶合金的组织形成机理，通过改变抽拉速率和温度梯度等工艺参数实现组织控制，使强化相呈现棒状或者颗粒状分布在Nbss基体上，并使组织细化、连续且定向排列。通过研究三元、四元和五元合金的定向凝固组织，了解各合金元素在定向凝固过程中对组织特征的影响，从而明确Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf多相亚共晶合金的凝固路径，提出优化多相亚共晶合金组织的定向凝固和热处理工艺参数，改善合金的高低温力学性能和抗氧化性。

随着航空技术的发展，对发动机提出了越来越高的要求。Ni基高温合金的使用温度已经接近其熔点的85%，继续提升其使用温度以满足新一代发动机热端部件的应用非常困难。Nb-Si合金由于熔点高、密度低和优良的高温性能得到广泛关注。Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf合金系是目前Nb-Si合金研究的热点，以NbSS室温增韧，Nb5Si3相高温增强，Cr2Nb相改善高温抗氧化性。由于Nb-Si合金组织中“各相异性”的特点，获得综合性能优良的合金成为研究者长期的研究目标。.本项目以Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf多元亚共晶合金系为对象，采用液态金属冷却定向凝固制备技术，研究熔体过热度和抽拉速率对多相亚共晶合金定向凝固组织特征的影响规律，包括NbSS，Nb5Si3（/Nb3Si），Cr2Nb的相组成、分布、含量和形貌。通过不同温度和时间的热处理制度研究，以获得成分均匀、组织稳定的组织。改变热处理工艺包括热处理时间和温度，明确热处理对合金组织特征的影响规律，包括Nb3Si消除的时间和温度关系。研究不同工艺参数定向凝固+热处理后多相亚共晶合金的室温抗拉强度、断裂韧性、高温拉伸和抗氧化性能。结果表明：.分析1900℃和1750℃的Nb-14Si-22Ti-10Cr-2Al-2Hf合金定向组织，前者的定向效果更明显，NbSS枝晶侧向生长减弱。这主要是由于熔体温度增加后，合金在定向凝固过程中的温度梯度增加，这有利于获得定向排列的组织。随着抽拉速度的加快，合金中块状Nb5Si3的体积分数减少，共晶组织含量增加，NbSS尺寸明显细化，Nb5Si3和Cr2Nb相的尺寸减小不明显。抽拉速度越快，合金在室温的断裂韧性和抗拉强度越好，在18mm/min定向凝固+1425℃/12h热处理后，合金的室温断裂韧性可达12.1MPa•m1/2和563MPa。研究了Nb-12Si多元亚共晶合金的热处理制度，发现1425℃/10h是比较合适的热处理制度。热处理后，合金中的Nb3Si相分解成NbSS+Nb5Si3，Nb5Si3以蠕虫状均匀分布在NbSS基体上，合金的室温断裂韧性和抗拉强度可分别达到18.2MPa•m1/2和890MPa。采用不同抽拉速度定向凝固（1.2、6和18mm/min）制备了Nb-22Ti-12Si-14Cr-2Al-2Hf合金，发现1.2mm/min定向凝固合金在1200℃和1250℃的高温抗氧