Nb-Si基超高温合金研究进展

《Nb-Si基超高温合金研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、KeyTechnologyforLargeCommercialAircraftNb-Si基超高温合金研究进展ResearchProgressofNb-SiUltraHighTemperatureAlloy沙江波西安交通大学博士．2005年1月至今在北京航空航天大学材料科学与工程学院任教授．博士生导师．2007年荣获教育部新世纪优秀人才支持计划。研究领域为复合材料．高温结构材料．材料力学性质。航空航天运载装备的快速发展要求发动机具有更高的推重比及工作效率，这就必须提高发动机的工作温度。以新一代推重比12一15的航空发动机为例，其涡轮前端温度设计在1800。2000℃之间，采用冷却系统后

2、，最高可使叶片表面温度下降400一5000C，热障涂层的隔热效果为58航空制造技术·2010年第14期北京航空航天大学材料学院沙江波铌一硅基合金(Nb—Si)具有较高的高温强度，在室温下具有一定的韧性，并且其熔点高、密度小，有望作为1200～1400℃温下工作的发动机叶片候选材料。近年来国内外把Nb—Si基合金作为研发高推比发动机叶片的主要后继材料之一，有望在短期内性能上获得突破，成为新一代高温结构材料[1】o50～100℃，因此要求叶片材料本身具有高达1400℃的承温能力。而目前最先进的第三代镍基单晶合金的使用温度极限为1150oC，要想进一步提高其使用温度是非常困难的(因为这些先

3、进高温单晶合金的熔点只有1350℃左右)。因此，研制具有更高承温能力的叶片材料是发展新型高推比发动机的重要基础。金属间化合物、难熔金属、陶瓷和C／C复合材料等是可以在1200℃以上不同温度区间使用的主要候选结构材料。陶瓷及陶瓷基复合材料可以在1400℃以上使用，但是具有脆性大、难加工成型和导热性差等先天缺陷，在短时间内难以用于制备涡轮叶片和导向叶片。白金族金属(如Ir和Pt)为基的难熔合金的承温能力可达到1800℃以上，但其密度很大，价格昂贵，不适合作为叶片材料。C，C复合材料从力学性能上能够满足2000℃以上工作温度的要求，但其抗氧化性能差且其抗氧化涂层技术远未成熟，其加工工艺复杂

4、，造价昂贵，也难以作为叶片材料。铌一硅基合金(Nb—Si)具有较高的高温强度，在室温下具有一定的韧性，并且其熔点高、密度小，有望作为在1200—14000C温度下工作的发动机叶片的候选材料。近年来国内外把Nb—Si基合金作为研发高推比发动机叶片的主要后继材料之一，有望在短期内AdvancedMal。删Techn0IogyforLarg。co。me删胁an大飞机先进材料技术获得性能上的突破，成为新一代高温结构材料‘¨。Nb—Si基超高温合金的组织设计思想超高温结构材料对性能要求十分苛刻，要求材料必须在高温强度、蠕变抗力、室温韧性、抗氧化性和密度等方面达到综合性能平衡。在一个合金系统中单

5、相组织是难以满足对超高温结构材料综合性要求的，强度、韧性和环境稳定性等关键性能应该由不同相来承担[1-21,这就要求对Nb—Si基合金进行多相组织匹配设计。Nb—Si二元系中的基本组成相是Nb的固溶体Nb；。和Nb与Si形成的、在1600—1800℃下热力学稳定的且坚硬的金属间化合物Nb，s华4j。这种韧／硬两相组织比单相Nb，Si，更能发挥高温强度，又具有一定的室温塑韧性。因此在成分组织设计中可利用韧／硬两相结构设计思路，形成NbsgNb，Si，原位复合结构，由N吣提供室温韧性而Nb，Si，提供高温强度，更可利用两相界面效应来改善高低温综合力学性能，这已成为高温结构材料特别是Nb—

6、Si基合金组织设计的理论之一。目前，在Nb—Si合金Nbss／NbsSi，两相组织的合金化和强韧化方面已取得了重要研究进展。美国GE公司【1。”、日本新能源产业综合开发机构(NEDO)‘8-9]、英国Surrey大学‘肛¨1和国内的北京航空航天大学、北京航空材料研究所、西北工业大学、哈尔滨工业大学和中科院金属所[12-161等单位均对具有Nb。。／Nb，Si，两相组织的Nb—Si基合金开展了多元合金化、凝固组织控制以及热机械加工(定向凝固、热挤压等)各具特色的基础研究工作，探讨了强韧化机理。上述结果表明适当的合金化和组织形态控制可使Nb—Si基合金强韧性接近工程化应用的水平。尽管在N

7、b。。／Nb，Si，两相组织的强韧化和机理研究方面获得了较大的进展，但其高温抗氧化性能明显不足，并很难通过微合金化获得较大改善。即使把Nb—Si基合金作为高温构件的基体材料并有抗氧化涂层保护，～旦涂层损伤，Nb—Si基体迅速氧化引起灾难性后果，必须通过宏合金化引入对环境稳定的相来改善Nb—Si合金Nbss／Nb5Si3两相组织的抗高温氧化性。含高Cr的二元LavesCr2Nb相具有优异的高温抗氧化和腐蚀性能”7．18J，可担当这样的角色并成为Nb—Si基合