论文部分内容阅读
作为轻质高温结构材料的有力竞争者，Nb-Si系合金及其复合材料有望在下一代航空航天发动机上(≥1600℃)应用。而深过冷技术的发展，为制备三维尺寸大体积的快速凝固合金提供了可能。本研究通过吸铸实验和落管实验方法研究了Nb-Si系合金及其复合材料的非平衡凝固机理。主要内容如下：
⑴采用真空电弧炉进行亚共晶、共晶和过共晶成分Nb-Si合金母合金的熔炼和棒状试样的吸铸。采用国家微重力实验室52米高的长落管，得到了不同成分、不同直径的深过冷Nb-Si合金球体，落管球体的直径在2.0mm～4.1mm之间，球体的质量在0.033g～0.199g之间。通过理论计算得到Nb-18.7at％Si共晶合金液滴的最大过冷度为480K，或0.25TE。
⑵在吸铸实验中，Nb-Si合金吸铸试样最后得到的微观组织主要是由粗大的初生相和细小、均匀的(Nb)+Nb3Si共晶组织组成的，Nb3Si相没有发生共析转变，初生相的组成和含量随着Si含量的变化而变化。在吸铸条件下，共晶点偏离平衡相图的共晶点，在Nb-18.0at％Si左右。
⑶在落管实验中，由于微重力、深过冷、快速凝固及再辉的作用，在低倍光学显微镜下观察，Nb-Si亚共晶、共晶和过共晶合金球体的边缘到中心的显微组织粗细程度总体上差别不太大；但在高倍SEM下观察，发现有不同粗细的共晶组织区域存在，而且组织粗细程度的起伏很明显。由于单相Nb5Si3极低的室温断裂韧性，在Nb-Si过共晶合金球体中裂纹只发生在初生Nb5Si3相上，裂纹是脆性解理断裂。亚共晶合金球体中的裂纹则发生在共晶组织中，呈韧性断裂。
⑷在落管条件下，由于微重力、深过冷、快速凝固等因素的作用，造成了Nb-Si合金球体微观组织和凝固机理的复杂性和多样性。Nb-Si亚共晶合金球体的显微组织主要是由初生的Nb相和(Nb)+Nb3Si共晶组织所组成的。在Nb-17.5at％Si合金球体中，还发现了不同于该成分合金的显微组织：由Nb3Si相和(Nb)+Nb3Si共晶组织组成的特殊组织区域。这可能是由于Nb-17.5at％Si亚共晶合金熔体在凝固过程中Si的偏析造成的。Nb-18.7at％Si共晶合金球体的显微组织是由两类共晶组织组成：(Nb)+Nb3Si共晶组织和(Nb)+Nb5Si3共晶组织。Nb-Si过共晶合金球体的显微组织也包含两类：一类是由Nb5Si3相、Nb3Si相和(Nb)+Nb3Si共晶组织所组成的，而且Nb5Si3相外面包裹着Nb3Si相，其显微组织的特征与吸铸条件下过共晶合金试样靠近边缘的过渡区域的组织相似；一类是Nb5Si3相和(Nb)+Nb5Si3共晶组织所组成的。这说明在一定的过冷度条件下，Nb-Si合金凝固机理发生变化，由Nb-Nb3Si共晶反应转变为Nb-Nb5Si3共晶反应。
⑸研究了在吸铸和落管实验条件下，微重力、深过冷和快速凝固以及再辉等因素对Nb-Si合金微观组织及凝固过程的作用和影响，为将来通过设计合金的非平衡凝固过程来控制合金显微组织以及最终性能奠定了基础。