SiO2增强铌基合金高温抗氧化性的相关研究

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1、Si02增强铌基合金高温抗氧化性的相关研究InvestigationforHighTemperatureOxidationResistanceofSi02ImprovingNiobiumIn—SituAlloy北京航空航天大学台元月姜惠仁李宁马文帅北京航空制造工程研究所宋昊键[摘要】分别研究了纯Nb、Nb．25Si和Nb-14Si．26Ti．8Hf2Cr-2Al的高温氧化行为，并使用X射线衍射仪和透射电镜对氧化膜进行分析。关键词：高温氧化抗氧化性晶体非晶体IABSTRACTJThehightemperatureoxidationbehaviorofNb．Nb一25S

2、iandNb-14Si．26Ti．8Hf-2Cr-2．A1isinvestigated．TheoxidationscaleisstudiedbyUS-ingX-raydiffraetion(XRD)andTransmissionElectronMicroscopy(TEM)．Keywords：HightemperatureoxidationOxida-tionresistanceCrystaiNoncrystal国防现代化的发展需求对武器装备提出了更高的要求，特别是要求航空飞行器具备更高的性能，于是便对航空飞行器的“心脏”航空发动机提出了更加苛刻的要求，要求其具有更

3、高的推重比及工作效率、适应更高的工作温度。现有航空发动机所用的镍基高温合金由于受其自身熔点(1400一l600。C)的限制，持续工作温度上限仅为l100℃，因此，研制取代镍基合金的超高温材料势在必行。由于金属铌熔点高(2468oC)，高温强度高，延展性和热传导性好，所以铌基合金有极大的潜力克服镍基合金不能在超高温工作的缺点，从而广泛应用于航空及航天等领域Il卅。铌在常温下化学性质稳定，但随着温度的升高，在空气中的氧化现象严重，会形成粉状的Nb：O，氧化膜并不断剥落，发生破裂氧化。试验表明，铌在低于3500C的空气中其氧化增重呈抛物线规律；而在高于350。C的空气中，

4、其氧化增重呈直线规律，氧化速率增大15划。随着温度的进一步增加，铌中氧的溶解度也会进一步上升川。因此这类材料的较差抗氧化性能成为限制其广泛使用的主要障碍[8-91。目前的研究表明通过合金化法可以有效提高铌基合金的高温抗氧化性能，在已发表的文献中，认为能提高铌基合金抗氧化性的合金元素有Si、Ti、Hf、Al、Cr和Sn等[10-19l。Si是提高铌基合金高温抗氧化性能极其重要的元76航空制造技术·2010年第4期素。本课题分别研究了纯Nb、Nb一25Si(本中合金的成分均为原子分数1合金和Nb一14Si一26Ti一8Hf-2Cr一2AI合金的高温氧化行为，并针对其中硅

5、元素的作用进行了研究。1试验过程试验中所研究的合金名义成分如表1所示。试验所用的原材料为纯度(文中粉料纯度均表示为质量分数)99．9％的Nb、Si、Ti、Hf、Cr和Al。使用非自耗真空电弧炉熔炼合金锭，并且反复熔炼5次以上，保证组织均匀，制得试验所用母合金锭。采用电火花线切割将母合金锭切割至10ram×10mm×3mm的合金试样。在氧化试验前依次用60#，250#，500#，1000#，1500#，2000#水砂纸将试样表面打磨光滑，并用丙酮清洗后在管式电阻炉内进行氧化试验。l#、2#、3#试样氧化温度均是1250℃，氧化时间均为3h。合金氧化后，将其表面生成的氧

6、化膜剥离，并研磨成粉末状。利用D／max一2200型x射线衍射仪(CukOt,40kV,40mA)分别对3种氧化膜粉末进行XRD物相分析，分析氧化膜的相组成。利用JEOL一2010透射电子显微镜(工作电压为200kV，点分辨率为0．23nm)对3#试样的氧化膜进行微观形貌、能谱，以及衍射分析。2结果与讨论2．1氧化增重分析表2所示分别为3组试样的单位面积氧化增重量，氧化条件为1250％：氧化3h。从表2可以看出，纯Nb(1嚣)表1试样的名义化学成分％的氧化增重量大于Nb一25Si合金(踏)的氧化增重量，这说明Nb-25Si合金的抗氧化性较纯Nb而言有了明显的提高，直

7、观反映出Si元素的加入可以明显增强铌的高温抗氧化性；并且，Nb一14Si一26Ti一8Hf-2Cr-2AI合金(3#)的氧化增重量小于Nb一25Si合金(2#)的氧化增重量，说明Nb一14Si一26Ti一8Hf-2Cr一2AI合金的抗氧化性优于Nb一25Si合金的抗氧化性，Nb一14Si一26Ti一8Hf-2Cr-2A1合金的抗氧化性在Nb一25Si合金基础上得到了进一步提高。表2试样的氧化增重2-2合金氧化膜相组成分析图1(a)为纯Nb(1#)12500C氧化3h后氧化膜粉末的XRD谱图，从图中可以看出其合金氧化膜的主要相组成为Nb，O；。图l(b)为Nb一2