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新一代超高温结构材料的研发

发布时间:2016-10-31

来源: 中国冶金装备网

随着航空发动机推重比的提高,涡轮进口温度不断提高。推重比15~20一级涡轮风扇发动机的涡轮前温度将要提高到2050~2150 K,涡轮叶片材料本身承温能力,也要求由1050~1100 °C,提高到1150~1300 °C。

目前使用的Ni基单晶高温合金难以满足这一条件。新一代超高温结构材料的研发势在必行。针对未来高推重比航空发动机对材料的要求,必须开发新的耐高温、高比强、具有良好的抗氧化能力和加工工艺性能的材料。相对于其他可选的超高温结构材料,难熔金属间化合物Nb-Si基超高温合金具有高熔点(高于1750 °C)、低密度(6.6~7.2 g/cm3)、良好的高温强度和可加工性,以及一定的断裂韧性、疲劳性能等优点,被认为是最有希望取代第3代Ni基单晶高温合金的候选材料。超高温结构材料对综合性能要求十分苛刻,必须平衡高温强度、蠕变抗力、室温韧性、抗氧化性和密度等各种相互矛盾的性能指标。在一个合金体系中,单相组织难以满足这样的要求,强度、韧性和环境稳定性等关键性能需要依靠不同相承担。因此,Nb-Si基合金研发工作的关键点就是进行多相组织匹配设计,从而获得强韧性及抗氧化性能的良好配合。

一、室温韧性

Nb-Si基合金中延性相Nb固溶体是主要增韧相。Nb-Si基合金的断裂韧性不仅依赖于延性相Nb固溶体的体积分数,也与Nb固溶体的几何特征及形态分布有关。以初生枝晶形貌为主的Nb固溶体,其不发达的枝晶主干与细长的二次枝晶臂均起不到好的增韧作用,且会破坏热处理组织的均匀性。另一方面,大尺寸的初生Nb5Si3以四方形横截面形貌存在,在断裂过程中会成为裂纹源和裂纹扩展通道,不利于断裂韧性的提高。Nb固溶体呈规则网络状结构,Nb5Si3以孤立增强相均匀分布其中,Nb/Nb5Si3晶界大量增加,则可以增大裂纹通过共晶区域受到的抵抗程度,使断裂韧性得到提高。

二、高温强度

Nb-Si基合金的高温强度随着硅化物体积分数的增加而增加,为保证Nb-Si基合金的高温强度,硅化物体积分数需在35%以上。固溶强化是提高其高温强度的有效手段之一。Hf、W、Mo对Nb-Si基合金均有显著的固溶强化作用,可以明显提高材料的强度和抗蠕变性能,其中Hf在提高合金高温强度的同时并不降低其室温韧性。

三、抗氧化性能

纯Nb合金的抗氧化性能较差,易氧化成Nb2O5,不能提供保护基体的能力,并且容易开裂剥落。虽然硅化物的抗氧化性能远高于Nb固溶体,但在超高温条件下也会发生氧化,且难以形成连续的保护性氧化膜。通过合金化,引入抗氧化性能优异的Cr2Nb,可以显著提高合金高温抗氧化性能。

目前,Nb-Si基合金的室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能等单项指标基本能达到航空发动机热端部件的应用要求,但是尚难实现这三者之间的综合匹配。寻求更合适的组织控制途径,实现室温韧性、高温强度和高温抗氧化性能的综合匹配,是Nb-Si基超高温合金研发的关键所在。


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