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“铼与高温合金”系列十《添加铼对定向凝固Nbss/Nb5Si3原位复合质料的室温断裂韧性的影响》

“铼与高温合金”系列十《添加铼对定向凝固Nbss/Nb5Si3原位复合质料的室温断裂韧性的影响》

分类：应用手艺
作者：
泉源：转载嘉峪检测网引用王磊，刘杨，宋秀，等《铼含量对第四代镍基单晶高温合金凝固组织的影响》[J].机械工程质料，2022，46（8）：15-21，27.???
宣布时间：2024-01-09
会见量：0

【提要形貌】为了提高室温韧性，合金化和复合可以作为一种有用的要领和选择。在第三代基于镍的单晶高温合金（SGX3）中，铼的添加显著提高了γ′-Ni3Al的粗化活化能，从而降低其粗化动力学。若接纳真空非消耗性电弧熔炼的Nb–Si原位复合系统，0.5 at.%的铼合金化量可以使其断裂韧性抵达39.4%的增量（从10.33 MPa m1/2增添到14.4 MPa m1/2）。

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“铼与高温合金”系列十《添加铼对定向凝固Nbss/Nb5Si3原位复合质料的室温断裂韧性的影响》

【提要形貌】为了提高室温韧性，合金化和复合可以作为一种有用的要领和选择。在第三代基于镍的单晶高温合金（SGX3）中，铼的添加显著提高了γ′-Ni3Al的粗化活化能，从而降低其粗化动力学。若接纳真空非消耗性电弧熔炼的Nb–Si原位复合系统，0.5 at.%的铼合金化量可以使其断裂韧性抵达39.4%的增量（从10.33 MPa m1/2增添到14.4 MPa m1/2）。

分类：应用手艺
作者：
泉源：转载嘉峪检测网引用王磊，刘杨，宋秀，等《铼含量对第四代镍基单晶高温合金凝固组织的影响》[J].机械工程质料，2022，46（8）：15-21，27.???
宣布时间：2024-01-09
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更热、更强、更韧、更轻是设计和制造下一代航空推进系统的要害手艺指标。由于市场对高性能航空发念头的需求一直增添，对难熔金属间化合物复合质料的研究也因此越来越深入，特殊是铌硅化合物原位复合质料，由于其具有精彩的物理力学特征。作为Nb-Si基合金的主要组成相，室温韧性源于体心立方（bcc）铌固溶体（Nb_ss）；而硅化物（Nb₅Si₃或Nb₃Si）强化相与提高高温时的蠕变和抗氧化性能息息相关。因此，实现Nb-Si基合金的平衡和综合性能的因素主要取决于两相的体积分数、微观结构漫衍以及界面组合的优化。

由于Nb-Si基合金在室温下的断裂韧性较差，这就限制了其在工业领域的应用。为了提高室温韧性，合金化和复合可以作为一种有用的要领和选择。在第三代基于镍的单晶高温合金（SGX3）中，铼的添加显著提高了γ′-Ni3Al的粗化活化能，从而降低其粗化动力学。若接纳真空非消耗性电弧熔炼的Nb–Si原位复合系统，0.5 at.%的铼合金化量可以使其断裂韧性抵达39.4%的增量（从10.33 MPa m^1/2增添到14.4 MPa m^1/2）。

1、添加铼后的Nb–Si基合金的室温韧性

经由三点弯曲测试，图1展示了Re对Nb–Si基合金室温断裂韧性的影响。在变形历程中，所有曲线（图1(a)）都呈线性上升趋势，然后急剧下降，这也意味着在这一刻爆发了失效行为。关于基础合金，其最终承载力只有130.8N，韧性（KQ）仅抵达8.4 MPa m^1/2。随着Re含量的进一步增添，承载力和KQ的值险些呈同步转变的趋势。0.1Re合金的平均KQ为11.7 MPa m^1/2，最大载荷也抵达了172.6 N。与基础合金相比，0.4Re合金在最终载荷（234.3 N）和断裂韧性（13.1 MPa m^1/2）方面均体现出79%和56%的最大增添。但0.6Re合金的问题是，这两个指标都缩小到了119.4 N和7.6 MPa m^1/2以下，均低于基础合金。

图1 四种差别Nb–Si基合金的单刃缺口三点弯曲丈量：(a)载荷与加载点弯曲位移；(b)室温断裂韧性(KQ)

图2显示了经由三点弯曲测试后四种差别Nb–Si基合金的裂纹撒播路径的较量。沿加载偏向，基础合金和0.6Re合金的裂纹直接穿透试样。特殊是关于0.6Re合金，只管其峰值力相对较�。�119.4N，图1(a)），但导致了更大的断裂距离（图2(d)）。而关于基础-xRe（x=0.1或0.4，at.%）合金，裂纹的撒播蹊径以蜿蜒和曲折的状态为特征，而不是直线。同时，在0.1Re和0.4Re合金中，主裂纹路径周围体现出更多的增韧行为，如裂纹偏转、桥接、阻滞和次生微裂纹，这些都有助于提高Nb–Si基合金的断裂韧性。

图2. 四种差别Nb–Si基合金在三点弯曲测试后裂纹撒播的较量：(a) 基础合金；(b) 0.1Re合金；(c) 0.4Re合金；(d) 0.6Re合金。

从图3可以看出，四种差别Nb–Si基合金的断口外貌也展现出一系列差别的特征。无论是否掺杂Re，硅化物的断口外貌都泛起出典范的脆性断裂模式，没有海浪状。作为合金在变形历程中的主要可塑性泉源，基础合金和0.6Re合金中相邻脆性硅化物显着阻碍了Nb_ss相的塑性作用（图3(a)和(d)）；断口外貌的河流图案也标记着Nb_ss基体的爆发了脆性断裂。关于0.1Re合金，对可塑性Nbss相的约束逐渐减轻，因此在变形历程中显着泛起了断裂步进和撕裂脊（图9(b)）。而在Re掺杂量抵达0.4 at.%后，这一转变卦进一步（图3(c)）；例如，许多微裂纹可以清晰可见，特殊是Nb_ss硅化物界面的脱粘征象的泛起。

图3. 四种差别Nb–Si基合金在三点弯曲测试后的断口外貌比照：(a) 基础合金; (b) 0.1Re合金; (c) 0.4Re合金; (d) 0.6Re合金。

图4显示了四种差别Nb–Si基合金在三点弯曲测试后的断口外貌的3D拓扑图。与基础合金相比，0.1Re合金的断口外貌显着呈波动状，而在0.4Re合金中更为显着。从基础到0.6Re合金的所选断口外貌的面积划分为468,115.2 μm²、823,381.2 μm²、894,434.4 μm2和430,498.8 μm²。为利便起见，上述外貌的投影平面（645 x 648 = 417,960 μm²）用作参考平面，以盘算外貌积比（SAR，所选外貌与参考平面的面积比），从而进一步较量和定量评估断口外貌。SAR随着铼的进一步合金化逐渐增添，并在0.4Re合金中最大化为2.14，在此抵达了最佳的断裂韧性（图1(b)）。但险些与平展的参考平面一致，0.6Re合金的SAR仅为1.03，甚至低于基础合金的1.12。

图4. 差别Nb–Si基合金在三点弯曲测试后的三维外貌形貌较量（基础-xRe，x=0, 0.1, 0.4, 0.6，原子%）

2、添加铼后的Nb–Si基合金的显微硬度

随着Nb–Si基合金中Re浓度的增添，图5中的硅化物的平均直径泛起了与维氏显微硬度相似的转变特征。在基础合金中，硅化物的尺寸为6.23μm，随着Re的加入逐渐减小，最终抵达最小值4.68μm；即，硅化物相关于基础合金，在Re掺杂量抵达0.4 at.%后，其粒度约莫减小了25%。但在0.6Re合金中，硅化物的颗粒显着变大，其平均尺寸最大为6.92μm，甚至比基础合金还要大。同样，维氏显微硬度也泛起了先升后降的趋势；在0.4Re合金中抵达最小值，为1178 HV，比基础合金“软”了约莫39%。

图5. 基于差别Re含量（x=0, 0.1, 0.4, 0.6, at.%）的合金中硅化物尺寸和显微硬度的较量。

对增韧相施加差别力的条件，可能会在Nb–Si基合金的整体塑性方面爆发相当大的差别，尤其是三轴压应力。在韧性的Nbss相中，有显着的泛起为河流图案的劈裂断裂行为（图3(a)和(d)），这是由于周围硅化物对其具有强烈的约束效应。而在0.1Re和0.4Re合金中，微裂纹（图3(b)和(c)）有助于疏散对Nb_ss基体的韧性约束。由于在Nb_ss/αNb₅Si₃界面处的剪切强度较低，爆发了界面剥离（图3(c)），重新漫衍了应力-应变场，因此改善了塑性流动，从而在0.4Re合金中形成磷泣不匀称和升沉更大的断裂外貌（图4）。不但云云，在界面疏散处爆发了更多的裂纹偏转，并泛起了许多次生裂纹（图2(c)），这不可阻止地提高了在裂纹撒播历程中的断裂能量的消耗。总的来说，诸如微裂纹、次生裂纹和界面剥离等有益的增韧行为都有助于降低裂纹尖端的驱动力，增添裂纹尖端的屏障和裂纹尖端的启齿位移（CTOD）。

由于铼的原子半径大于铌，因此铼可以引起更显着的晶格膨胀，提高了Nb–Si基合金的内在能量，从而在外部体现为具有更高的显微硬度。这也意味着在（Nb, Re)_ss的较大晶格空间中能够容纳更多的间隙Ti原子，可以进一步增强Nb_ss基体的韧性；因此，0.1Re合金和0.4Re合金的维氏硬度略微降低而不是更“硬”了（图5）。但除了Ti含量的增添外，Si含量也随之增添，Si是一种容易使Nbss相硬化的典范元素。别的，添加难熔金属的另一个主要思量因素是韧脆转变温度（DBTT）。只管纯铌的DBTT很低（零下150^°C），但（Nb, X)ss的DBTT很是容易受到间隙或替换含量的影响。除了Ti和Hf之外，目今研究中Cr、Al和Re等其他因素都与DBTT呈负相关。以Re为例，仅仅2at.%的掺杂量就可以显著提高（Nb, Re)ss的DBTT至室温。因此，在0.6Re合金中，Ti的增韧效果无法抵消其他因素（尤其是Si和Re）引起的强化行为，从而导致更高的显微硬度（图5）和更低的断裂韧性（图1）。

3、结论

该研究系统地研究了Re对室温下Nb–Si基合金的微观结构、相组成和力学性能的影响。从实验效果中可以得出以下结论：

1）四种差别Nb–Si基合金中的组分相均为Nbss、αNb₅Si₃和γNb₅Si₃，而Re主要漫衍在Nb_ss基体中。添加0.4 at.%的Re可以使硅化物精炼到最小值，其平均直径为4.68μm，但过量添加会导致再次粗化。0.4Re合金中，Nbss基体一连性最佳，体积分数最大，抵达63.1%。

2）添加Re增添了Nb_ss基体中其他间隙元素的含量，并响应地使0.6Re合金的显微硬度最大化。由于Nb_ss相的体积分数更高且更具韧性，以及硅化物变钝且疏散，室温下的断裂韧性从0.1Re合金的8.4 MPa·m^1/2提高到0.4Re合金的最大值13.1 MPa·m^1/2。

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