Nb-Ti-(Al)-C合金組織及抗氧化性能研究.pdf

1、本文采用熔鑄法制備了20種不同成分的Nb-Ti-C合金和9種不同成分的Nb-Ti-Al-C合金。Nb-Ti-C合金C原子含量分別為4at.％，8at.%，12at.%和16 at.%，Ti原子含量范圍為5at.%-64at.%，經(jīng)過組織分析和成分優(yōu)化后選定Nb-21Ti-4C、Nb-35Ti-4C和Nb-25Ti-8C三個(gè)合金分別添加5at.%，10at.%和15at.%的Al熔煉制備成Nb-Ti-Al-C合金。系統(tǒng)研究了合金的組織演變

2、及其氧化性能，得到以下主要研究結(jié)果。
　　鑄態(tài)條件下Nb-Ti-C合金由鈮基固溶體（Niobium Solid Solution, Nbss）和碳化物(Nb2C或(Nb, Ti)C)構(gòu)成，Nb2C僅存在于Ti原子含量與C原子含量比值較小的三個(gè)合金中，(Nb,Ti)C則在很大的成分范圍內(nèi)存在。Nbss在C原子百分含量為4%的合金中作為初生相，剩余液相以(Nb,Ti)C與Nbss共晶組織形式存在于枝晶間；C原子含量為8at.%-16a

3、t.%的合金中，(Nb,Ti)C轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮挝龀鱿?；初生Nbss和(Nb,Ti)C均容易生長(zhǎng)為枝晶或樹枝晶。初生(Nb,Ti)C內(nèi)金屬原子Nb的相對(duì)含量高于共晶(Nb,Ti)C；共晶(Nb,Ti)C金屬原子以Ti原子為主，且其凝固組織呈現(xiàn)出較弱的小平面生長(zhǎng)特征。
　　Nb-Ti-C合金Al元素的加入促使合金凝固過程由亞共晶向共晶、過共晶凝固轉(zhuǎn)變，鑄態(tài)條件下僅有15at.%Al合金內(nèi)部析出Nb3Al相，Al元素固溶進(jìn)入Nbss使得Nb

4、ss產(chǎn)生有序化，引起Nbss晶格常數(shù)迅速減小。
　　熱處理不改變Nb-Ti-C合金的相組成，熱處理后Nbss內(nèi)析出尺寸細(xì)小的條狀二次(Nb,Ti)C；初生和共晶(Nb,Ti)C內(nèi)則析出以Nb原子為主的二次Nbss。熱處理后(Nb,Ti)C內(nèi)金屬原子進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)橐訲i原子為主。(Nb,Ti)C內(nèi)析出二次Nbss是由不同溫度條件下(Nb,Ti)C內(nèi)金屬原子溶解度變化及NbC向熱力學(xué)上更為穩(wěn)定的TiC轉(zhuǎn)變引起的，且(Nb,Ti)C中高的

5、Nb原子含量更能夠決定Nbss析出驅(qū)動(dòng)力及生長(zhǎng)形貌。驅(qū)動(dòng)力較小時(shí)二次Nbss沿fcc(Nb,Ti)C的密排面{111}面形核且平行于該面長(zhǎng)大成為長(zhǎng)條狀，析出Nbss與母相存在如下取向關(guān)系：[011](,)Nb Ti C//[001] Nbss，(111)(,)Nb Ti C//(110)Nbss；析出驅(qū)動(dòng)力較大時(shí)二次Nbss形貌由長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變成不規(guī)則的片狀，轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力足夠大時(shí)二次Nbss甚至越過晶界與一次Nbss枝晶相連生長(zhǎng)為層片狀。

6、r>　　熱處理后Al原子百分含量為10%和15%的Nb-Ti-Al-C合金存在大量Nb3Al析出，Nb3Al相在(Nb, Ti)C周圍Al原子富集區(qū)優(yōu)先形核，長(zhǎng)大后向Nbss枝晶內(nèi)部擴(kuò)展，Nb3Al相在Nbss內(nèi)以規(guī)則的塊狀或長(zhǎng)條狀存在；研究發(fā)現(xiàn)Nb3Al依附于bcc Nbss的密排面{110}形核，通過向Nbss內(nèi)排出Ti原子長(zhǎng)大。
　　利用納米壓痕和原子力顯微鏡研究Nb-Ti-(Al)-C合金組成相力學(xué)性能得出，Ti、Al元素

7、合金化能有效的提高Nbss的硬度，且Al元素的固溶強(qiáng)化效果優(yōu)于Ti元素，Nbss力學(xué)性能均一且具有良好的塑性變形能力。(Nb,Ti)C和Nb3Al作為有效的增強(qiáng)相在變形過程中能夠通過與Nbss良好的界面結(jié)合強(qiáng)化鈮合金。熱處理后Nbss硬度受到其內(nèi)部組織均勻化及位錯(cuò)密度降低的影響而有所下降；熱處理過程中(Nb,Ti)C內(nèi)二次 Nbss的原位析出能夠有效的提高脆性碳化物的韌性。不同成分合金熱處理前后Nbss硬度變化表明Ti、Al、C等元素的

8、加入能夠提高Nbss的高溫強(qiáng)度。
　　Nb-Ti-(Al)-C合金高溫抗氧化性能研究表明，Ti、Al元素合金化及(Nb, Ti)C相的生成能夠改善鈮合金的抗氧化性，合金在800℃氧化時(shí)表現(xiàn)出良好的抗氧化性能，且Nb-25Ti-8C-(0,15)Al合金900℃氧化速率與C-103工業(yè)鈮合金相比降低75%。
　　TiO2、Al2O3、NbO2、Nb2O5及復(fù)相氧化物TiNb2O7構(gòu)成的混合氧化膜減小了其與合金基體的體積比，提高