V,Al对Nb-Si系超高温结构材料抗氧化性能的影响

速率, 减少了合金氧化皮的剥落和金属氧化损失量。 N b-2119T -i 1119S-i 414V-411A l经过 1250e /50h氧 化后金属损
失厚度仅为 01 1mm。
关键词: Nb-S i系合金; 超高温结构材料; 金属间化合物; 显微组织; 抗氧化性能
中图分类号: TG1461 4
文献标识码: A
第 28卷 第 5期 2008年 10月
航空材料学报
JOURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER IA LS
V o l1 28, N o15 O ctober 2008
V, A l对 Nb-Si系超高温结构材料抗氧化性能的影响
康永旺 1, 曲士昱 2, 宋尽霞1, 韩雅芳1
( 1. 北京航空材料研究院先进高温结构材料国防 重点实验室, 北京 100095; 2 北京航空材料研究院 21室, 北京 100095)
212 抗氧化性能分析 图 2是不同 V, A l含量的 Nb-S i合金 1250e 氧
化性能对比图。从图 2a 中的恒温氧化动力学曲线 可见, 含有 V, A l元素的三种合金氧化增重速率明
显低于不含 V, A l的合金 VA0。 1250e /50h氧化后 VA1, VA2和 VA3合金增重量比 VA0合金分别降低 了 6217m g / cm 2, 15713 m g / cm2 和 19116 mg / cm2, 合 金的氧化速率随 V, A l加入量的增加而减少。图 2b
1 实验方法
合 金 制 备 所 需 原 材 料 成 分 ( w %t ) 采 用 Nb 9918, T i 9917, S i 9815, A l 9917 以及 中 间合 金 A -l 75w t1% V。实验合 金的名 义成分 见表 1。采用 真 空非自耗电弧炉进行 合金熔炼, 熔炼时 充氩保护, 以减少合金氧化和挥发损失, 每个合金锭熔炼 4~ 5次, 以保证均 匀, 纽扣 锭约 100g。自各纽扣锭 同 一部位切取 显微组 织观 察试样, 以尽 量避 免合 金 冷速造成的组织 差别。采用线切 割的方法从合 金 锭中部切取约 10mm @ 8mm @ 3mm 的氧化试样, 并 采用千分尺 精确测 量各 试样尺 寸; 氧 化实 验温 度 1250e ; 时间为 50h。氧化实验采用不连续称重方 式, 称量时间分别为 0h, 2h, 5h, 10h, 25h和 50h; 所
文章编 号: 1005-5053( 2008) 05-0006-05
自十九世纪四十年代后期以来, N i基高温合金 一直扮演着航空发动机热端部件用材的主角, 对于 整个航空动力发展的影响巨大。据称, N i基高温合 金零部件约占现代航空发 动机总重的 70% [ 1 ] 。虽 然在过去 30多年里, 高温合金成分的优化和铸造技 术的进步使得航空发动机高压涡轮进口温度提高了 125e , 但是 N i基高温合金的熔点大约在 1350e 左 右, 使用温度已经达到了极限 [ 2- 4 ] 。新一代高推重 比先进航空发动机要求高压涡轮导向与工作叶片本 身的承温能力必须达到 1200~ 1400e , 大大超过目 前的镍基高温金属材料的极限承温能力。因此, 传 统的 N i基高温合金已经不能满足新一代更高性能 的先进航空发动机的需要, 必须研究新的耐高温结 构材料体系。以往研究表明 Nb-S i系超高温金属间 化合物 在 1100e 以 下 的 比 强 度 最高, 在 1100 ~ 1400e 的比强度与其它超高温结构材料相当 [ 5] 。结 合了 B-Nb固溶体韧性和难熔金属硅化物强度优点 的 Nb-S i系超高温结构材料有望成为 1200~ 1400e 甚至更高温度使用的叶片材料。众所周知, 作为高 温下使用的结构材料, 除具有良好的室温和高温力 学性能以外, 还必须具备良好的抗氧化性能。然而, Nb-S i系超高温结构材料氧化过程中生成的氧化膜 不致密, 存在严重的内氧化现象, 氧化膜易剥落, 抗
摘要: 采用真空非自耗电弧炉制备了 N b-22T -i 12S i三元以及三种不同 V, A l含量的 Nb-T -i S -iV-A l五元 N b-S i合金,
研究了四种合金铸态显 微组织和 1250e 的抗氧化性能。结果表明: V, A l的加 入促进了反 应 N b3 S iy N bss + N b5 S i3, 使合金相组成由 N bss + N b3 S i转变成为 Nbss + N b5 S i3, 从而增加了合金中 N bss相体积分数; 合金的抗 氧化性能随 V, A l含量的增加而提高; V, A l的加入使合金氧化皮结构发 生了转变, 生 成了较 为致密的 氧化皮, 降低 了合金 的氧化
第 5期
V, A l对 Nb-S i系超高温结构材料抗氧化性能的影响
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用电子天平 的精度为 011m g。将剥落的氧 化皮用 研钵研成粉末, 采用 XRD 分析了氧 化 50h 后各合 金的氧化皮中氧化 物相组成。使用 JSM-5600HV / LV 扫描电 镜观察 了铸 态合金 及其 氧化 皮的 微观 组织, 并使用 L ink ISIS 6798型 能谱仪进行了元素 半定量分析。氧化皮截面观察试样采用 环氧树脂 冷镶的方法, 以避免镶 嵌过程中氧化皮剥落, 试样 抛光后进行表面喷碳处理。
末 X射线衍射图。 X射线衍射结果表明: VA0合金的 氧化 物 主 要 由 T i2N b10 O29, T iN b2 O7 和 少 量 S iO2, N b2O5, T iO2 构成; 而 含有 V, A l元素 的 V 1, VA 2和
VA3合金的氧化 物皮虽然也是由以上五种 氧化物 构成, 但 T i2 N b10 O29的质量分数随着 V, A l含量的增 加而有所 降低, T iN b2O7 随 之成为 主要的 组成 相。 VA 3氧化皮中 T i2 N b10 O29的衍射峰非常低, 说明 V, A l的添加使合金氧化皮组成相发生了改变。
59. 8 21. 9 11. 9 2. 6
3. 6
VA 3
57. 8 21. 9 11. 9 4. 4
4. 1
2 实验结果分析与讨论
211 合金微观组织 图 1 是四种不同 V, A l合金的微观组织形貌。
由图 1a可知, VA0合金中主要存在两种相, 分别是 N bss相和 N b3 Si相, N bss相以类枝晶状和等轴状分布 在连续的 N b3 Si基体上; N b3S i相分为两种, 分别是 T i含量较高和 N b 含量 较高, T i含量较 高的 N b3S i 相分布在 N bss相和 N b含量较高的 N b3 S i相界上; 添 加 V, A l后合 金的硅 化物相 尺寸 有所减 小。从 图 1b, 1c, 1d中可以看出, 三种含 V, A l合金均是由两 种相组成; 能谱分析表明其中浅色的是 N bss相, 深色 的是 N b5S i3 相。由此可见, V, A l的加入使 合金的 微观组织发生 了转变, 促 进了反 应 N b3 S iy N bss + N b5 S i3 的 发 生, 使 N b3 S i 相 发 生 了 分 解, 生 成 了 N b5 S i3 相和次生的 N bss相 ( 图中细小 N bss相 ), 次生 的 N bss相分割 了 N b5 Si3 相, 使 得硅 化物 相尺寸 减 小。定量 进行 分析 表 明, VA1, VA2, VA3 合金 中 N bss相 的 体 积 百 分 数 分 别 约 为 7115% , 7318% , 7214% , 相 对 于 VA 0 合 金 中 N bss 相 体 积 分 数 ( 5617% )提高了 25% 以上。但 是, 具有更高 V, A l 含量的 VA 3中 N bss相的体积百分含量却有所降低, 这是由于 A l含量的进一步提高造成了共析反应略 向相图中硅化物一侧移动。
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航 空 材 料 学报
第 28卷
给出了合金 1250e /50h 氧化后合金氧化皮剥落量 ( 其中 VA3氧化皮为人工机械剥落 ) 以及金属损失 量。由图 2可见: 相对于 VA0合金, 加入 V, A l元素 的三种 合 金 氧 化 皮 剥 落 量 分 别 降 低 了 2416% ,
5716% 和 7511% , 氧化皮剥落量随 V, A l添加量增 加而减少。金属损失厚度也随 V, A l添加量的增加 而减少, 其中 VA3合金仅仅损失了 011mm。
收稿日期: 2008-04-15; 修订日期: 2008-05-10 基金项目: 北京航空材料研究院基金 ( 2006175) 作 者 简 介: 康 永 旺 ( 1979) ), 男, 博 士 生, ( E-ma il) ywkang1208@ 126. com。
氧化性能差。对于未来的工程应用, 高温抗氧化性 能仍然是 Nb-S i系超高温结构材料走向实用化的一 大障碍。到目前为止, 已经设计了大量的试验材料 体系来研究材料化学及相组成对大块材料抗氧化性 能 的 影 响, 研 究 了 T i[ 6, 7] , H f[ 7 ~ 9 ] , S ,i Cr[ 9~ 12] , A l[ 7, 8] , M o[ 9] , T a[ 7] , G e[ 2 ] , B[ 13] , F e[ 2] , Sn[ 3] 和稀土 元素 Y [ 8, 14] , C e[ 8, 13, 14 ] 以及防护涂层 [ 15 - 17] 的作用, 但其抗氧化性能仍未能有实 质性提高。W on-Yong K im 的研究表明 V的加入有助于提百度文库 Nb-Si合金的 室温屈服强度 [ 18 ] , 而对高温抗氧化性能的影响未见 报道。此外, A l的 加入有 助于减 轻氧化 皮的 中温 / 粉化 0。本工作研究了 V, A l共同加入对高温抗氧 化性能的影响。
图 3为氧化 50h后合金的外观形貌图。从图中 可以看出, 合金氧化皮颜色发生了明显变化。并且, V0和 VA1合金的氧化皮几乎全部自然剥落, 但 V0 合金金属损失率明显多于 V1合金; VA2合金氧化 皮部分自然剥落; 而还有最高含量 V, A l的 VA3合
金的氧化皮仍然包裹在金属表面, 没有产生自然剥 落现象。由此可 见, 加入 V, A l可改善金属 与氧化 皮的结合状态, 并能够改善合金氧化皮的脆性, 减少 金属氧化皮剥落量, 提高合金的抗氧化性能。
表 1 实验合金名义成分表 / at% Table 1 The nom inal com positions of exper im enta l a lloys / at%
A lloy N o. N b
Ti
Si
V
Al
VA 0
66
22
12
VA 1
61. 9 22. 0 12. 0 0. 9
3. 2
VA 2
图 3 1250e /50h氧化试样外观图 F ig1 3 M acro-v iew o f alloys w ith d ifferen t V, A l contents afte r 1250e /50h ox idation
213 氧化皮组织分析 图 4是四种合金 1250e / 50h氧化后氧化皮的粉
图 2 不同 V, A l含量合金 1250e 抗氧化性能 ( a)氧化动力学曲线; ( b)氧化皮剥落量与金属损失厚度
F ig12 Ox idation resistance property o f four N b-S i a lloys ( a) ox ida tion dynam ic curves; ( b) we ight o f spa lt ox ide and lo st thickness o fm eta l
图 1 不同 V, A l含量 N b-S i系材料的微观组织 F ig11 M ic rostructure of N b-S i based alloys w ith d ifferent V and A l contents
( a) VA 0; ( b) VA 1; ( c) VA2; ( d) VA3