Nb-Si系可能存在的物相及其含量计算分析

计算机在材料中的应用文

献综述

Nb-Si系可能存在的物相及其含量计算分析

学生姓名：邱婷婷

院系：冶金与能源学院

专业：金属材料2班

学号：201114670209

指导教师：杨海丽

Nb-Si系可能存在的物相及其含量计算分析

邱婷婷

（冶金与能源学院11轧二09）

摘要：随着航空航天以及电子器件等高端技术的发展，Nb-Si 基共晶体系合金是目前最有希望应用于超高温环境的材料之一，并且有着很好的发展前景。所以要想更好的发展和利用Nb-Si基合金，我们必须清楚其可能存在的物相及其含量计算分析，对于指导我们更好的认识Nb-Si基合金具有重大意义。

关键词：Nb-Si基系合金；物相分析；含量分析

引言

目前对于Nb-Si的研究工作主要是通过添加合金元素(主要有：Ti、Mo、V、Hf、Sn、Cr、Mn、Si、Al、Ge、C和B等)，依靠固溶强化、增加新的强化相、改善合金显微组织结构以及提高机加工性能等途径来提高Nb-Si基高温合金综合机械性能。铌－硅基合金组织主要由Nbss（铌基固溶体）和硅化物相构成Nb-Si 系多元合金是一种添加了过渡元素、难熔元素的Nb-Si基合金，其相组成主要是Nb基固溶体和Nb的硅化物[1]。下面我们主要针对Nb-Si二元系合金及其Nb-Si-Mo三元系合金进行物相分析及含量分析。

1 Nb-Si系可能存在的物相

铌－硅基合金经历了从二元到多元的发展过程，即Nb－Si、Nb－Ti－Si、Nb－Cr－Si、Nb－Hf－Si、Nb－B－Si、Nb－Mo－Si、Nb－W－Si、Nb－Ti－Hf－Si、Nb－Ti－Si－B、Nb－Mo－Ti－Si、Nb－Mo－Cr－Al－Si和Nb－Ti －Si－Cr－Hf－Al等合金体系，最近有研究者还利用B、C和等元素对这些合金体系进行微合金化以提高合金的综合性能。下面针对集中典型合金进行物相及含量分析[2]。

1.1 Nb-Si二元合金的显微组织

目前，Nb-Si基高温合金的研究主要集中在Nb+Nb5Si3双相区范围(0～37.5at%Si，如图1所示，该双相区的稳定温度可高达1700℃，而使用温度可高于1400℃。对Nb-Si基高温合金进行合金化时，主要是在含Si量为10～5%(原子百分含量)的基础上，添加第三组元，以获得良好的韧性和强度等综合力学性能。对于Nb-Si二元合金来说，其铸态显微组织一般包括粗大的初晶相(Nbss、βNb5Si3)和细小的Nbss+Nb3Si双相共晶组织，共晶组织中的Nb3Si相在1770℃充分退火后发生共析转变Nb3SiNbss+Nb5Si3，生成平衡态的Nbss相和Nb5Si3相[3-4]。

对平衡态Nb+Nb5Si3双相区显微组织的观察表明，在1500o C显微组织热化学和形态学稳定至少达100h。在Nb-Si二元合金中，达到相平衡的微观组织由Nbss （Nbsolidsolution，铌基固溶体和Nb5Si3两相组成，而且Nbss相和Nb5Si3相可以在很大的温度范围和成分范围内共存，正是这一特点保证了该自生复合材料在高温下的组织稳定性[5-6]。目前，对Nb5Si3及其复合材料的研究还很少，主要集中在不连续增强脆性母相复合材料双相Nb-Nb5Si系中。[7-8]因此，除了粉末冶金方法能直接原位合成Nbss相和Nb5Si3相双相结构材料外，普通的制备方法(如合金熔炼法、定向凝固法等)，由于凝固速度过快、共析反应来不及发生，Nb3Si 相将从高温稳定下来，造成合金组织的不稳定性，导致材料韧性下降，从而影响Nb-Si基高温合金的实际应用。Mendiratta等发现上述共析反应的条件非常苛刻，这更给实际生产带来了很大的困难。通过添加合金元素，可以抑制Nb3Si的形成或直接获得Nbss+Nb5Si3双相复合高温结构材料，提高合金在高温应用环境中的组织稳定性。

图1 Nb-Si二元相图

1.2 Nb-Si-Mo三元系合金

1.2.1 Nb-Si-Mo三元系合金部分液相面投影图

表1 合金名义成分及其凝固组织

合金成分/at% 凝固组织

Nb-17Si-3Mo

初生Nbss Nbss/(Nb(Mo))3Si共晶

Nb-18Si-3Mo Nbss/B-(Nb，Mo)5Si3共晶Nbss/(Nb(Mo))3Si共晶

Nb-17Si-xMo(x=4，10) 初生Nbss

Nb-18Si-xMo(x=4，5，10，15，20) Nbss/B-(Nb，Mo)5Si3共晶Nb-19Si-115Mo 初生(Nb(Mo))3Si

Nb-20Si-10Mo Nbss/(Nb(Mo))3Si共晶

初生B-(Nb，Mo)5Si3 Nb-25Si-70Mo Nbss/B-(Nb，Mo)5Si3共晶

Nb-26Si-72Mo

初生(Mo(Nb))3Si

(Mo(Nb))3Si/B-(Nb，Mo)5Si3共晶

表1[9]列出了不同成分合金的凝固组织，据此可知各合金的凝固路径，结合Nb-Si、Mo-Si、Nb-Mo二元相图，从而推断出Nb-Si-Mo三元系合金液相面投影图如图2所示，图中e1、p1表示Mo-Si二元系的共晶点和包晶反应液相成分点，e2、p2表示Nb-Si二元系的共晶点和包晶反应液相成分点。为了描述方便，文中(Nb(Mo))3Si表示固溶了少量Mo的Nb3Si，(Mo(Nb))3Si表示固溶了少量Nb的Mo3Si，B-(Nb，Mo5Si3表示B-Nb5Si3和Mo5Si3无限互溶，A-(Nb(Mo))5Si3表示固溶了少量Mo的A-Nb5Si3。在图1中，液相面投影图被e1e2和p1p2两条线划分为4个初生相区，p1U1U2e2BAp1区域为初生Nbss相区，e1U1U2p2FDe1区域为初生B-(Nb，Mo)5Si3相区，p2U2e2p2区域为初生(Nb(Mo))3Si相区，p1U1e1p1区域为初生(Mo(Nb))3Si相区。根据三元相图理论，图2中U1和U2两点的液相线都是两进一出，可以判断出U1和U2点分别对应如下包共晶型四相平衡反应：

U1：L+(Mo(Nb))3Si

B-(Nb，Mo)5Si3+Nbss

U2：L+B-(Nb，Mo)5Si3

(Nb(Mo))3Si+Nbss

图2 Nb-S-iMo三元系部分液相面投影图

根据表1中各成分合金的凝固组织并结合C1L1Ma等的试验结果，可以推知发生上述2个四相平衡反应的成分范围分别如图2中四边形U1abc和四边形U2dfg所示。acfU2da区域是L+Nbss+B-(Nb，Mo)5Si3三相平衡棱柱的投影区域，凡是成分位于该区域内的合金都会发生LyNbss+B-(Nb，Mo)5Si3三相共晶反应，该反应是二元Nb-Si、Mo-Si体系和三元Nb-Si-Hf、Nb-Si-Ti体系中所没有的。图3给出了分别位于不同初生相区的4种合金的凝固组织。结合XRD和EDS分析结果可知，Nb-18Si-10Mo合金的微观组织是由白色的Nbss初生相和黑白相间的Nbss/B-(Nb，Mo)5Si3片层共晶组成(图3(a))，其凝固顺序为：¹LyNbss，ºLyB-(Nb，Mo)5Si3+Nbss。Nb-20-Si-10Mo合金由黑色的B-(Nb，Mo)5Si3初生相和黑白相间的Nbss/B-(Nb，Mo)5Si3片层共晶组成(图3(b))，其凝固顺序为：¹LyB-(Nb，Mo)5Si3，ºLyB-(Nb，Mo)5Si3+Nbss。Nb-19Si-115Mo合金由灰黑色的(Nb(Mo))3Si初生相和Nbss/(Nb(Mo))3Si共晶组成(图3(c))，其凝固顺序为：¹Ly(Nb(Mo))3Si，ºLy(Nb(Mo))3Si+Nbss。Nb-25Si-70Mo合金由灰白色的(Mo(Nb))3Si初生相和(Mo(Nb))3Si/B-(Nb，Mo)5Si3羽毛状共晶组成(图3(d))。