铌-硅化物基复合材料液相协调晶界滑移超塑性机理研究

Nb-silicide-composites have high melting point, low density, high hardness, good high temperature strength, excellent oxidation and corrosion resistance, thus it can be work under higher temperature and harsh environment. However, the intrinsic brittleness at room temperature of them prevents applications. Superplasticity which has the advantage of precision forming to the final net shape is a viable method to overcome this problem. Nb-silicide composites consisting of Nb4Fe3Si5 were prepared by Fe alloying . These composites displayed good superplasticity. The main mechanism of superplastic deformation of these Nb-silicide composites was grain boundary sliding accommodated by Nb4Fe3Si5 liquid phase. It was interested that the mechanism on superplastic deformation and the role of Nb4Fe3Si5 liquid phase of these Nb-silicide composites was obviously different from those of traditional metal matrix composite materials and ceramic materials. In this project , we will research mechanism of grain boundary sliding accommodated by Nb4Fe3Si5 liquid phase and the role of each phase during superplastic deformation of Nb-silicide composites.We willset up the model of grain boundary sliding and reveal the mechanism on superplastic deformation of Nb-silicide composites.

铌-硅化物基复合材料具有高熔点 ，低密度、高硬度、良好的高温强度、抗氧化以及抗腐蚀等特点, 因而可以在更高的温度以及恶劣的环境下工作。但是脆性问题限制了其应用。开发其超塑性是解决其加工成形困难的有效方法，这样可直接制造出接近净尺寸的精密零件。申请者通过Fe合金化使其在铌-硅化物基复合材料中产生Nb4Fe3Si5相，该相在高温下熔化协调晶界滑移，从而导致Nb-16Si-2Fe原位复合材料优异的超塑性。令人感兴趣的是铌-硅化物基复合材料在超塑变形过程Nb4Fe3Si5液相所起的作用及变形机理与传统的金属基复合材料及陶瓷材料在超塑变形过程中液相所起的作用与机理明显不同。本项目通过研究复合材料各相在超塑变形过程中的作用，超塑变形过程中Nb4Fe3Si5液相协调晶界滑移的机制，建立晶界(或相界)滑移的模型，揭示其超塑变形的机理。

Nb5Si3 金属间化合物具有低密度、优良的高温强度及较好的抗氧化性能成为高推重比航空发动机高压涡轮叶片和导向叶片极具潜力的候选材料。然而，硅化物的一个普遍特点是室温下非常脆而且中、低温耐损伤能力较差，大幅提高其力学性能以达到在高推重比发动机上应用的前景有限。为了克服单相Nb5Si3金属间化合物室温脆性的缺点，必须发展由Nbss增韧的铌-硅化物原位复合材料。Nb5Si3室温断裂韧性仅为3MPam1/2，与单相Nb5Si3相比，由Nbss/ Nb5Si3组成的铌-硅化物原位复合材料断裂韧性得到了极大的提高。然而，这些二元合金材料较差的抗氧化性能限制了它们的应用，可通过合金化提高其抗氧化性能。但是通常情况下，提高抗氧化性能的合金元素将降低材料的高温力学性能；提高材料高温力学性能的合金元素将恶化材料的抗氧化性能。因此，为了抵消合金元素的负面影响，必须采用多成分合金化及工艺控制获得具有致密、均匀、颗粒细小的多相显微组织，使材料室温断裂韧性、高温力学性能和抗氧化性达到良好平衡。以前的研究结果表明Nb被Ti替代将提高铌-硅化物复合材料的抗氧化性能，同时也改善了材料的延性和室温断裂韧性；但同时也降低了材料的熔点和高温力学性能。因此，为了抵消Ti的负面影响，加入W、Mo、Hf 和Ta等固溶强化Nb和硅化物相。通过Mo和W合金化的铌-硅化物原位复合材料从室温到1500℃具有极高的压缩强度；高温压缩强度和室温断裂韧性也达到了良好平衡。.然而，到目前为止有关铌-硅化物复合材料的拉伸性能和断裂行为只有少量报道，尽管这些性能对于其作为高温结构材料非常重要。因此，研究铌-硅化物复合材料拉伸性能和断裂行为非常必要。报道了通过熔炼方法制备的Nb-18Si-5Mo-5Hf-2C原位复合材料的拉伸性能，该材料具有很高的高温强度，在1200℃抗拉强度达到了460MPa。但是制备的Nb-18Si-5Mo-5Hf-2C材料即使在高温也没有表现出较好的塑性，在1200℃拉伸延伸率仅仅为0.8 %。本项目采用粉末冶金方法制备铌-硅化物复合材料。制备的Nb-16Si-10Ti-10Mo-5Hf复合材料具有良好的高温强度，在一定条件下具有极大的塑性和超塑性。本研究通过制备的铌-硅化物基复合材料在很高的温度下保持了较高的强度，提高了材料的使用温度，同时实现了超塑性，有可能应用于高低压涡轮叶片等零件，一旦技术研究成功将

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