超高温铌-硅化物基复合材料

超高温铌－硅化物基复合材料

B.P. Bewlay1, M.R. Jackson1, P.R. Subramanian1 and J.J. Lewandowski2

1GE Global Research, One Research Circle, Schenectady, NY 12301

2Case Western Reserve University, 10900 Euclid Avenue, Cleveland, OH 44106

关键词：铌－硅化物，复合材料，叶片，疲劳，铸造，高温合金

摘要:本文描述了铌－硅化物基原位复合材料的近期研究进展，该复合材料将用于工作温度高达1350℃的结构件。从商业前景来看，熔模铸造铌－硅化物复合材料近成形部件具有巨大的潜力，因为这接近于目前的叶片生产实践。然而，用于铌－硅化物复合材料叶片的熔模铸造技术还没有得到充分发展。而且，对于铌－硅化物复合材料成分、工艺、性能之间的关系还认识有限。采用合金化方法以得到室温韧性、疲劳裂纹扩展行为、高温蠕变性能和较宽温度范围内的抗氧化性能之间优异的综合性能平衡。

本文重点描述了铌－硅化物基复合材料工艺、组织和性能。

1 引言

过去50年里，高温材料性能的改善促进了航空发动机和地面燃气涡轮性能的提高[1]。随着镍基高温合金的发展，先进涡轮发动机叶片的工作温度高达1150℃左右。然而，镍基高温合金承温能力要在第三代单晶合金（3GSX）的基础上进一步提高将非常困难，因为大多数先进高温合金在1350℃左右就熔化了。先进涡轮发动机需要能在目前温度限制之上工作的材料。叶片材料承温能力需要提高有几个原因，如延长寿命和提高燃烧温度。航空涡轮或地面涡轮有一系列关键性能要求，包括燃油效率、推力、重量和可靠性。铌－硅化物基复合材料用作高温材料的潜力大约在10年前第一次被认识到[1-7]。铌－硅化物基复合材料最早由于其高温强度和低温损伤容限的良好平衡而显示出诱人的应用前景。铌－硅化物基体系材料较低的密度（~7g/cm[7-12]）也是其相对于镍基高温合金的主要优点之一。氧化和蠕变性能是铌－硅化物基复合材料最需要改善的地方。之前在改善单相Nb合金氧化性能上取得的进展表明可用合金化来改善铌－硅化物基复合材料的氧化行为。因此，在一系列铌－硅化物复合材料中研究了合金化元素对平衡力学性能和氧化性能的作用，本文将对这些进展的一些重要方面进行描述。已经有了几个关于铌－硅化物复合材料近期发展的广泛回顾[1, 3, 4, 12]，还有一些关于相平衡、力学性能和氧化行为的技术文章[13-17]。铌－硅化物复合材料包括Nb3Si、和/或Nb5Si3、和Nb基固溶体相，硅化物的体积分数在0.35到0.6之间。这些铌－硅化物基原位复合材料是以Nb－Si二元相图的富Nb端为基础的，合金中含有12％～15％的Si（本文给出的所有成分未经说明都是摩尔分数）。一些合金利用少量（体积分数<0.15）的NbCr2基Laves相来改善抗

氧化性能[1-4]。一种简单的铌－硅化物复合材料（Nb-15Ti-16Si）的显微组织如图1所示。

图1：一种定向铌－硅化物复合材料的纵向显微组织（扫描电镜背散射电子相），该复合材料成分为Nb-15Ti-16Si，由(Nb)和(Nb)3Si相组成。

该复合材料由(Nb)和Nb3Si相组成，其中Nb3Si相的体积分数约为0.4[1,3]。固溶有Ti的Nb3Si一般称为(Nb)3Si。Nb硅化物可以三种不同的晶体形式存在：(Nb)3Si – (tP32)，(Nb)5Si3 – (tI32)，(Nb)5Si3 – (hP16)。早期的铌－硅化物基复合材料MASC做了全套性能描述，其成分为Nb-25Ti-8Hf-2Cr-2Al-16Si [10]。目前，对成分、工艺、性能之间关系的理解还很有限，但以前的合金化尝试表明某些成分可以优化性能包括抗氧化性能、韧性和蠕变性能 [1, 3-7, 12]。GE公司最近发展了一些成分的合金，在本文中这些合金被命名为铌－硅化物A、B [16, 17]、C [1,16]和D [18]。铌－硅化物A的成分为Nb-25Ti-8Hf-16Si。铌－硅化物B、C和D的成分都在参考专利 [17]中所描述的范围内。

铌－硅化物基复合材料可以采用一系列工艺来生产制造，比如非自耗电弧熔炼、等离子电弧熔炼、感应凝壳熔炼、锭坯铸造＋热机械加工[4, 11, 13, 15]、定向凝固（DS）[1, 3]、熔模铸造 [7]和粉末冶金 [1, 3]。从商业角度来看，熔模铸造铌－硅化物复合材料近净成形部件具有巨大的潜力，因为这接近于目前的复杂叶片生产实践。然而，用于铌－硅化物复合材料叶片的熔模铸造技术还没有得到充分发展。另外，熔融Nb合金的活性限制了陶瓷基熔炼系统的应用。近来，铌－硅化物复合材料的熔模铸造取得突破 [5]。典型的模型叶片如图2所示。

本文的目的就是要阐述近期铌－硅化物复合材料发展最重要的特点。在接下来的部分中对力学性能和抗氧化性能包括涂层行为进行了描述。

图2：典型铌－硅化物复合材料模型叶片，采用熔模铸造法制造；叶片长约150mm。

2力学性能

2.1断裂和疲劳性能

关于以二元Nb-Si和多元系统为基础的铌－硅化物基复合材料的断裂和疲劳性能已经做了大量的基础研究 [19-25]。图3给出铌－硅化物C典型的室温断裂韧性测量值和断裂阻力或R曲线。

图3：定向铌－硅化物基复合材料典型R曲线(对于该样品，R曲线表明其韧性起始为23MPa

m1/2，峰值约为35MPa m1/2)

R曲线表明起始韧性为23MPa m1/2，峰值韧性约为35MPa m1/2。对于不同的铌－硅化物C

样品，起始韧性值在15～28 MPa m1/2的范围内变化。在其它铌－硅化物体系[12-16]和以其它方法如熔模铸造和挤压法制备的类似复合材料中也报道了相似的韧性水平，对于金属间化合物基体系而言，这是非常高的韧性水平。通常在铌－硅化物基复合材料中观察到R曲线行为[3]。还在更高应变速率下对韧性进行了测定，结果表明峰值韧性对加载速率的敏感性很小[19]。这和多晶Nb的行为是一致的，已经在很宽的温度和加载速率范围内测试了多晶Nb的韧性 [19, 23-26]。室温疲劳试验表明铌－硅化物C的△K门槛值为7～11 MPa m1/2，帕里斯定律斜度为7～12。如图4所示，疲劳试验表明△K值在9～20 MPa m1/2范围内，同时R值为0.1。

图4：三种铌－硅化物复合材料的疲劳数据(铌－硅化物C（空心方块），MASC（实心方块）以及Nb-10Si复合材料（实心三角）。同时还给出了一系列单相Nb合金（纯Nb、Nb-1Si、Nb-1Zr）（实心菱形）的疲劳数据 [23-26]。为作比较，Mo-Si-B合金的文献数据也包括其中[19，20]

对于这些特殊的疲劳试验，其帕里斯定律斜率在7－12之间。而典型的叶片用镍基高温合金的帕里斯定律斜率大约是5。图4比较了铌－硅化物C和单相铌固溶体[23-26]，MASC 复合材料以及Nb-10Si铌－硅化物原位复合材料[19]的疲劳数据。结果表明铌－硅化物基复合材料的疲劳行为几乎都是金属型的，其帕里斯定律斜率仅略高于单相铌固溶体。图4中还包括了Mo-Si-B合金的文献数据[19，20] 以作比较。

3拉伸和压缩行为

图5给出了一些铌－硅化物基复合材料从室温到1350℃（2640F）时的强度。典型第二代单晶镍基高温合金的拉伸强度也示于其中。早期Cr含量约为2％的铌－硅化物基复合材料的室温拉伸强度为830MPa左右[10]。近来铌－硅化物C的压缩强度在室温时高达1700MPa左