Nb-Si金属间化合物基超高温合金研究进展

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaOct。252014V01．35No．102756—2766ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu。crlNb—Si金属间化合物基超高温合金研究进展张虎*，原赛男，周春根，沙江波，赵新青，贾丽娜北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191摘要：NbSi金属间化合物基超高温合金(NhSi基合金)具有高熔点、低密度和良好的加工性能，目标使用温度达到1200～l400℃，

2、成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料。主要介绍了北京航空航天大学在NbSi金属问化合物基超高温合金领域的研究成果，包括合金化、加工制备技术(电弧熔炼、感应熔炼、定向凝固和粉末冶金)、组织控制与性能表征和热防护涂层材料体系设计与制备技术等。发展了YzOs坩埚真空感应熔炼和YzOa模壳精密成型顺序凝固技术，成功制备了涡轮叶片模拟件；发展了A1z0。／YzO。、Y。Os／YzO。陶瓷坩埚／模壳液态金属冷却定向凝固技术，实现了Nb—Si基合金的定向凝固组织控制和强韧化匹配；发展了热防护涂层材料体系和制备技术，在合金基

3、体和涂层的高温抗氧化方面均取得了较大的进展。关键词：Nb—Si基超高温合金；合金化；工艺优化；定向凝固；热防护涂层中图分类号：TGl32．3+2文献标识码：A文章编号：10006893(2014)10—275611新一代高推重比航空发动机热端部件需要承温能力更高的高温结构材料。Nb—Si金属间化合物基超高温合金(以下简称Nb-Si基合金)具有高熔点(≥1750℃)、低密度(≤7．2g／cm3)和良好的加工性能，目标使用温度达到1200～1400℃，成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料，也是当前材料领域的研究热

4、点之一。新一代高推重比航空发动机热端部件对超高温结构材料性能要求十分苛刻，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。从材料组织角度上讲，上述强度、韧性和环境稳定性等关键性能应该由不同相或组织来承担[1‘2]，需要应用多相组织匹配理论设计以满足材料综合性能平衡的要求。Nb—Si基合金就是一种具有上述多相组织特点的新一代超高温结构材料[3。]。Nb—Si基合金的基本组成相包括塑韧性的Nb基固溶体Nb。。相和在l600～1800℃下热动力学稳定并保持高强度的金属间化合物Nb。Si。相，Nb。。相提供室温塑

5、性和韧性，而Nb。Si。相提供高温强度和蠕变抗力，并用Cr合金化进一步获得具有抗氧化和抗腐蚀性能的金属间化合物LavesCr。Nb相以提高合金的高温抗氧化性能口。1。。通过优化Nbss／Nb。Si。／CrzNb多相组织，使Nb—Si基合金既保持一定的室温韧性，又具有一定的高温强度和抗氧化能力，Nbss／Nb。Si。／Cr。Nb多相组织是Nb—Si基合金强韧性和抗氧化性匹配的组织基础。20世纪90年代以来，美国GE公司[1-7]、日本新能源产业综合开发机构(NEDO)[12。13]、英国Surrey大学[14。1明和国内的北京航空航

6、天大学、北京航空材料研究所、西北工业大学、哈尔滨工业大收稿日期：2014一05—08；退修日期：2014．06—09；录用日期：2014—07—07；网络出版时间：2014·07·1417：17网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／107527／S1000-689320140138．htmI基金项目：国家自然科学基金(51101005)*通讯作者Tel：010-82316958E—mail：zhanghu@buaaeduCR飘用格武：ZhangH．YuanSN．ZhouCG．eta1．Researchpro

7、gressonultra-high-temperatureNb—silicide—baseda／／oys[JIActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(10)：2756-2766。张虎．绿赛男．周春根．等Nb—Si金属橱化合物基超高温合金研究进展￡J27航空学教．2014，35(10)：2756-2766．张虎等：Nb—Si金属间化合物基超高温合金研究进展学和中国科学院金属研究所[16屯¨等单位对Nb—Si基合金开展了多元合金化、凝固组织控制、热机械加工以及热防护涂层设计等各具特色的基

8、础研究工作，在Nb—Si基合金的合金化、强韧化和高温抗氧化等方面均取得了一定的研究进展。美国GE公司以航空发动机叶片为应用对象，目标使用温度为l200～1400℃，从1990年开始系统开展了对Nb—Si基合金的成分设计、组织设计、加工制备技术、强韧