Nb/Nb5Si3微疊層材料及其制備技術(shù)

牟仁德，申造宇，王占考

(北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095)

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Nb/Nb5Si3微疊層材料及其制備技術(shù)

牟仁德，申造宇，王占考

(北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095)

Nb/Nb5Si3合金是未來(lái)最具潛力的超高溫結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)該材料的結(jié)構(gòu)微疊層化是一種新穎的材料設(shè)計(jì)思路和制備方法。Nb/Nb5Si3微疊層材料是將Nb和Nb5Si3按一定的層間距及層厚比以ABABAB型交互重疊結(jié)構(gòu)形成的多層材料，其幾種典型的制備技術(shù)包括熱壓、等離子噴涂、磁控濺射和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)。其中EB-PVD是一種最適合工程應(yīng)用的Nb/Nb5Si3微疊層材料制備方法，結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合、納米化疊層、高韌化工藝是EB-PVD技術(shù)制備N(xiāo)b/Nb5Si3微疊層材料的發(fā)展方向。

Nb/Nb5Si3；微疊層；電子束物理氣相沉積；超高溫結(jié)構(gòu)材料

航空航天技術(shù)的高度發(fā)展，要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推重比、工作效率，以及更高的工作溫度。目前，對(duì)新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的使用溫度要求已達(dá)到1600 ℃左右，而傳統(tǒng)鎳基高溫合金由于受其自身熔點(diǎn)(1400 ℃左右)的限制，長(zhǎng)期使用溫度上限僅為1100 ℃，難以滿(mǎn)足未來(lái)高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，因此，研究超越鎳基高溫合金的新型高溫結(jié)構(gòu)材料已成為目前的迫切需求[1-6]。金屬間化合物是一類(lèi)潛在的、具有優(yōu)異力學(xué)和物理性能的新型材料，它具有一般金屬和合金所沒(méi)有的高比強(qiáng)度、比剛度、比模量以及良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗氫脆性能，把它用作未來(lái)的超高溫材料，具有明顯的優(yōu)越性。其中，Nb-Si系化合物以其極高的熔點(diǎn)、適中的密度而成為新型超高溫結(jié)構(gòu)材料的候選者，近十年來(lái)已成為高溫結(jié)構(gòu)用金屬間化合物領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)[6-7]。研究表明[8-16]，包含bcc結(jié)構(gòu)的金屬Nb和具有四方結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性化合物Nb5Si3兩相的合金最具應(yīng)用前景，因?yàn)殁壓蚇b5Si3兩相的化學(xué)穩(wěn)定性均能保持到1660 ℃以上。在這種雙相合金中，Nb相提供室溫韌性，Nb5Si3提供高溫強(qiáng)度和蠕變抗力。Nb/Nb5Si3雙相合金的密度與已有的鎳基高溫合金相當(dāng)，而且通過(guò)不斷的改進(jìn)，其抗氧化性能也能得到很大的提高[17-18]。

微疊層材料是將兩種材料按一定的層間距及層厚比以ABABAB型交互重疊結(jié)構(gòu)形成的多層材料。微疊層材料的理念來(lái)源于各種天然層狀材料[19]，如貝殼、云母、天然石墨、六方氮化硼等，層狀增韌原理及無(wú)模成型技術(shù)的提出為微疊層材料的研究和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。微疊層材料的性質(zhì)取決于每一組分的結(jié)構(gòu)和特性、單元層厚度、二組元摩爾比和界面層互混深度等。由于更能滿(mǎn)足現(xiàn)在及將來(lái)高性能產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)需求，該種材料目前在超高溫金屬材料、結(jié)構(gòu)陶瓷、活性材料、連接封裝材料等各領(lǐng)域得到廣泛的重視[19-20]。目前研究表明，微疊層材料的強(qiáng)度能夠達(dá)到單體材料強(qiáng)度的4～6倍，并且強(qiáng)度與層間距有關(guān)，隨層間距減少而增加。當(dāng)微疊層材料雙層厚度(調(diào)制波長(zhǎng)) 降低到納米級(jí)水平時(shí)，該材料的強(qiáng)度會(huì)增加到一個(gè)峰值。小的層間距起到了細(xì)化晶粒的作用，小尺寸微粒限制了缺陷尺寸以及位錯(cuò)的移動(dòng)，從而增強(qiáng)了材料的各方面性能。

結(jié)構(gòu)微疊層化是一種新穎的材料設(shè)計(jì)思路和制備方法，在雙相合金制備方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文綜述了Nb/Nb5Si3微疊層材料的特點(diǎn)，對(duì)比分析了該材料的幾種典型制備方法。

1　Nb/Nb5Si3微疊層復(fù)合材料特點(diǎn)

Nb-Si系金屬間化合物中，Nb5Si3的熔點(diǎn)較高(2480 ℃)、密度較低(7.16 g/cm3)，而且該化合物還具有良好的抗氧化性能和導(dǎo)電性能[21]。因此，Nb5Si3在高溫結(jié)構(gòu)材料方面有著潛在的應(yīng)用前景。與其他金屬間化合物一樣，Nb5Si3在室溫下的韌性和冷熱加工能力較差，阻礙了它目前的應(yīng)用，但是通過(guò)合金化和韌相增韌，這些不足可以逐步克服，有望先在高性能航空、航天燃?xì)鉁u輪機(jī)處于高溫環(huán)境中的某些固定部件上應(yīng)用，再進(jìn)一步應(yīng)用于高溫轉(zhuǎn)動(dòng)部件。

Nb具有較好的韌性，其熔點(diǎn)高達(dá)2472 ℃、熱膨脹系數(shù)(7.3×10-6K-1)與Nb5Si3(熱膨脹系數(shù)為6.1×10-6K-1)的相近。由Nb-Si二元相圖可知，Nb和Nb5Si3在室溫～1770 ℃的較大溫度范圍內(nèi)以及0.5～37.5%(原子分?jǐn)?shù))Si的較寬成分范圍內(nèi)能穩(wěn)定共存，兩相之間具有良好的界面相容性和熱力學(xué)穩(wěn)定性[22]。因此，采用金屬Nb作為韌性相，對(duì)Nb5Si3進(jìn)行韌相增韌，可以形成既具有高熔點(diǎn)、高剛度、低密度和極高強(qiáng)度，又具有較高室溫韌性和較好的冷熱加工性能的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料[23]。

目前，世界上的許多先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家投入了較大的人力和財(cái)力來(lái)研制Nb/Nb5Si3復(fù)合材料，我國(guó)也已展了該領(lǐng)域的研究，并已取得一定的成績(jī)。例如，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)某空軍基地材料研究室的Dimiduk等[24-25]一直采用真空電弧熔煉法制備N(xiāo)b/Nb5Si3復(fù)合材料，并對(duì)Nb-Si合金的成分、凝固過(guò)程以及熱處理、熱擠壓工藝對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響等內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；在國(guó)內(nèi)，北京航空材料研究院的曲士昱等[17-18]也采用這種方法制備了Nb/Nb5Si3復(fù)合材料，并研究了1550 ℃/100 h的退火處理對(duì)該材料顯微結(jié)構(gòu)的影響。20世紀(jì)90年代中期，Perdigao等[26]、Li等[27]和Ma等[28]研究了一定配比的Nb粉和Si粉在高能球磨過(guò)程中的相變行為，并對(duì)所得到的Nb/Nb5Si3復(fù)合粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制備了幾乎全致密的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。最近，日本超高溫材料研究所的研究人員采用Nb，Si粉為原料，利用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)(30 min)原位合成了近理論密度的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。此外，Kim等[29]采用定向凝固的方法，制備了具有一定組織取向的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。

雖然Nb/Nb5Si3復(fù)合材料可以采用各種不同的方法制備，但每種方法所制備的材料中Nb相和Nb5Si3相的結(jié)構(gòu)分布各不相同。如電弧熔煉法制備的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料中，粗大的初生Nb顆粒和細(xì)小的次生Nb顆粒彌散分布在Nb5Si3基體上。這種結(jié)構(gòu)使得復(fù)合材料的室溫?cái)嗔褟?qiáng)度高于純Nb。模壓鑄造法制備的材料中，Nb相被拉長(zhǎng)，排列于Nb5Si3基體中。這種被稱(chēng)為“原位復(fù)合”的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善了Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂韌度。

Nb/Nb5Si3復(fù)合體系中，兩相的結(jié)構(gòu)、形狀及幾何分布對(duì)材料性能產(chǎn)生影響的詳細(xì)機(jī)理尚待進(jìn)一步研究，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有關(guān)于這方面研究的詳細(xì)報(bào)道；但前人對(duì)與Nb/Nb5Si3相近的復(fù)合體系已經(jīng)做了較深入的研究。Soboyejo等[30]對(duì)比研究了采用20%(體積分?jǐn)?shù))Nb顆粒、Nb纖維和Nb疊層三種不同形式對(duì)MoSi2材料進(jìn)行增強(qiáng)的效果，結(jié)果表明，微疊層結(jié)構(gòu)具有最高的強(qiáng)度和斷裂韌度。Lewan-dowski等[31]通過(guò)對(duì)比研究微疊層復(fù)合Nb/Nb3Al和“原位復(fù)合”Nb/Nb3Al材料發(fā)現(xiàn)，微疊層結(jié)構(gòu)能更有效地阻礙疲勞裂紋生長(zhǎng)。根據(jù)上述原理和研究結(jié)果，將微疊層的方式引入Nb/Nb5Si3復(fù)合材料制備中，對(duì)于改善該材料的綜合性能將發(fā)揮極大的作用。用Nb-Si系金屬間化合物和高溫金屬Nb一起設(shè)計(jì)成一種微疊層結(jié)構(gòu)，依靠高溫金屬間化合物Nb5Si3作為提高其抗蠕變的組分，用高溫金屬Nb作為增強(qiáng)相，既可滿(mǎn)足更高的使用溫度要求，又可避免金屬間化合物的脆性。

2　Nb/Nb5Si3微疊層復(fù)合材料的制備方法

微疊層材料的制備方法很多，除了傳統(tǒng)的熱壓合以外，目前用于制備薄膜的方法均可以用于制備微疊層材料，如等離子噴涂、磁控濺射和EB-PVD等。

2.1熱壓法

熱壓法是將可以用Nb箔和Si片通過(guò)熱壓直接擴(kuò)散鍵接，層與層之間產(chǎn)生金屬鍵。鍵的強(qiáng)度受壓力、溫度、形成速率、合金的選擇等因素的影響。熱壓后進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)崽幚?，通過(guò)Nb，Si元素的互擴(kuò)散形成層狀Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。這種層狀復(fù)合材料的調(diào)制厚度約為280 μm，在1100 ℃進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)出很好的延展性。Nb層對(duì)Nb5Si3層中形成的裂紋進(jìn)行了橋接，增加了材料的韌性。

圖1　熱壓法工藝制備的微疊層材料顯微結(jié)構(gòu)[17]Fig.1　Microstructure of microlaminate prepared by hot pressing[17]

該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以制備大尺寸微疊層材料，并且層與層之間具有冶金結(jié)合狀態(tài)，但是這種方法制備的材料層間距較大，總層數(shù)較少，界面平整度較差，難以通過(guò)減小層厚來(lái)提高材料的強(qiáng)度；并且由于熔化和軟化溫度高，其軋制工藝復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求高[20]，材料的制造成本高達(dá)4.85萬(wàn)美元/m2，僅次于C/C材料，所以很難大規(guī)模使用。

2.2等離子噴涂法

等離子噴涂法是利用等離子焰流將噴涂材料粉末熔融或半熔融，同時(shí)用高速氣流使之霧化并噴射在基體表面，隨著噴涂時(shí)間的增長(zhǎng)，基體表面就獲得了一定尺寸的沉積層[19]。在等離子體槍各個(gè)合適的位置上有目的地分別注入Nb粉和Si粉，或者輪流噴涂Nb相和Nb-Si相，再經(jīng)過(guò)后期的高溫?zé)崽幚砑纯芍苽涑鯪b-Si微疊層材料。

圖2　等離子噴涂工藝制備的微疊層材料顯微結(jié)構(gòu)[19]Fig.2　Microstructure of microlaminate prepared by plasma spraying

等離子噴涂法用于制備微疊層材料具有設(shè)備簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但等離子噴涂法所制備的材料具有孔隙率高、致密度差、高溫過(guò)程中粉末易氧化、界面結(jié)合強(qiáng)度低等不足，對(duì)用于結(jié)構(gòu)件用Nb-Si微疊層材料的高溫力學(xué)性能會(huì)造成較大的不利影響。

2.3磁控濺射法

磁控濺射是獲得納米級(jí)微疊層材料較好的方法，該方法制得的微疊層材料層厚均勻、層間界面平整、層間結(jié)合強(qiáng)度高，且沉積過(guò)程不受基板性質(zhì)的影響。

GAVENS等采用三種磁控濺射工藝成功制備了Nb/Nb5Si3微疊層復(fù)合材料，并對(duì)該材料的拉伸性能和斷裂模式進(jìn)行了探索研究[32]。第一種工藝，Nb和Si層的沉積采用純的元素靶材，Nb的純度為99.95%，Si的純度為99.999%，沉積完后進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)Nb和Si發(fā)生互擴(kuò)散，形成Nb和Nb5Si3層狀結(jié)構(gòu)。第二種工藝，晶態(tài)Nb層的沉積采用Nb靶，非晶態(tài)的Nb-37.5%(原子分?jǐn)?shù))Si層的沉積采用純Nb和Si的元素靶材。與第一種工藝相比，這種方法不需要通過(guò)遠(yuǎn)距離擴(kuò)散來(lái)形成晶態(tài)的Nb5Si3層。第三種工藝，Nb層的沉積采用純的元素靶材，非晶態(tài)Nb-Si層的沉積采用多晶的Nb5Si3化合物靶材(純度99.95%)。這種方法中，硅化物的成分通過(guò)Nb5Si3靶材來(lái)確定，而不是沉積參數(shù)，并且，不必通過(guò)遠(yuǎn)距離擴(kuò)散來(lái)使硅化物結(jié)晶。

圖3　磁控濺射工藝制備的微疊層材料顯微結(jié)構(gòu)[32]Fig.3　Microstructure of microlaminate prepared by magnetic sputtering[32]

磁控濺射工藝最大的不足是沉積速率很低，并且沉積過(guò)程受濺射靶材性質(zhì)和濺射工藝的雙重影響，需要控制的工藝參數(shù)較多，難以獲得大尺寸微疊層材料。

2.4EB-PVD法

EB-PVD技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展的一項(xiàng)極具潛力的新型材料加工工藝技術(shù)。該技術(shù)是以高能電子束為熱源的一種蒸鍍方法，即利用高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊被蒸發(fā)材料的表面，使材料升溫熔化變成蒸氣而凝聚在基板表面的一種材料制備及表面加工方法。EB-PVD技術(shù)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)[33-35]：(1)蒸發(fā)沉積速率較高，幾乎可以蒸發(fā)所有的物質(zhì)，為制備難熔金屬硅化物的微疊層材料提供了可能；(2)電子束束流大小可以任意調(diào)節(jié)，束斑形狀、大小和位置易于調(diào)節(jié)，有利于精確控制層厚及各相的含量；(3)沉積過(guò)程在真空中進(jìn)行，可以有效防止微疊層材料被污染和氧化；(4)層間界面光滑，能很好的再現(xiàn)基板的特征及粗糙度；(5)在控制好工藝和蒸發(fā)速率的條件下，不但微疊層材料成分能夠得到很好的保證，而且還能得到納米級(jí)的微疊層材料。

目前，EB-PVD技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種微疊層材料及金屬箔材的研制。圖4為采用EB-PVD技術(shù)制備的微疊層材料的顯微結(jié)構(gòu)。

圖4　EB-PVD工藝制備的微疊層材料XTEM照片F(xiàn)ig.4　XTEM image of microlaminate prepared by EB-PVD

有關(guān)單獨(dú)應(yīng)用微疊層材料EB-PVD技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)性研究工作最早報(bào)道于1990 年，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家采用電子束加熱將Ni和Al分別蒸發(fā)至涂有光刻膠的載玻片上，而后用丙酮溶解掉光刻膠，第一次得到了獨(dú)立的微疊層材料，總厚度為300 nm[36]。而后，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家的科學(xué)家和工程技術(shù)人員開(kāi)展了廣泛而深入的研究工作[37-40]，為該材料的應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)。代表性的研究工作包括：美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University)的Weihs教授及其合作者采用EB-PVD技術(shù)制備了微疊層材料，并于2000年后進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用推廣，而后的十五年來(lái)在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金(National Science Foundation，NSF)、陸軍實(shí)驗(yàn)室(Army Research Laboratory，ARL)、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)以及海軍研究中心(Office of Naval Research，ONR)等的資助下系統(tǒng)開(kāi)展了EB-PVD技術(shù)微疊層材料微觀組織、物理和化學(xué)參數(shù)對(duì)反應(yīng)熱、點(diǎn)火閾值及能量釋放速率等釋能特性的研究。值得一提的是，近年來(lái)該團(tuán)隊(duì)與多家單位合作采用先進(jìn)的現(xiàn)代分析技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)微疊層材料進(jìn)行研究并取得了舉世矚目的新成果，極大加深了人們對(duì)該類(lèi)材料的認(rèn)識(shí)，為該類(lèi)材料在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)，引起了國(guó)防應(yīng)用領(lǐng)域的重視[41-43]。俄羅斯科學(xué)院結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力學(xué)與材料科學(xué)研究所(Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences，ISMAN)的Rogachev 等研究人員在Merzhanov等自蔓延高溫合成相關(guān)研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展了反應(yīng)波傳播的機(jī)理研究，提出了放熱波在微疊層材料中的傳播模型，認(rèn)為直接放熱溶解是放熱波迅速傳播的原因，解釋了微疊層材料的特殊釋能特性，理論上的結(jié)果也得到了組織演化分析的證實(shí)；相關(guān)的研究工作得到了俄羅斯、法國(guó)等國(guó)家的基礎(chǔ)研究基金的資助，甚至得到了美國(guó)國(guó)防部國(guó)防威脅降低局(Defense Threat Reduction Agency，DTRA)的資助[44-47]。此外，近年來(lái)，針對(duì)微疊層材料的基礎(chǔ)研究工作也越來(lái)越深入，代表性的包括：為了揭示微疊層材料中反應(yīng)波的傳播規(guī)律及反應(yīng)過(guò)程中相演化機(jī)制，LLNL的科學(xué)家采用納秒時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)透射電子顯微鏡(Dynamic Transmission Electron Microscopy，DTEM)實(shí)時(shí)觀測(cè)了點(diǎn)火后微疊層材料的微觀組織及相的演化過(guò)程，為深入的機(jī)理分析及材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了第一手資料[48-49]；同時(shí)，科學(xué)家采用解析方法、數(shù)值方法、分子動(dòng)力學(xué)模擬方法等開(kāi)展了很多深入的理論工作來(lái)預(yù)測(cè)微疊層材料中的反應(yīng)行為[50]。

除了上述基礎(chǔ)性研究以外，微疊層材料EB-PVD制備技術(shù)的研究也受到了工業(yè)界的重視，美國(guó)銦泰(Indium Corporation of America)、安捷倫(Agilent Technologies)、Transition45 Technologies 以及烏克蘭巴頓焊接研究所等均投入很大力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。Movchan等[35]采用EB-PVD技術(shù)制備了厚度為1.2～1.5 mm的Ni16Cr-5Al/10%NbC(體積分?jǐn)?shù)，下同)微層板，以及Ni-6Al-12Mo/23%Mo的微層板，兩種材料的性能均達(dá)到或超過(guò)了它們所對(duì)應(yīng)的鑄造合金性能。金雪松等[51]也利用該技術(shù)制備了具有不同層間距的K18/Mo納米微疊層材料，材料的室溫強(qiáng)度高于1000 MPa，應(yīng)變率大于8%，并表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性。利用多源蒸鍍技術(shù)制備的高溫合金微疊層板的使用溫度和性能均達(dá)到了Ni基高溫合金、甚至單晶合金的水平。

3　Nb/Nb5Si3微疊層材料的EB-PVD制備工藝原理

采用EB-PVD制備N(xiāo)b/Nb5Si3微疊層材料主要包括單源蒸發(fā)和雙源蒸發(fā)兩種方法。單源蒸發(fā)法是對(duì)分別依次對(duì)裝有Nb和Nb5Si3靶材的兩個(gè)坩堝進(jìn)行交替加熱蒸發(fā)的方式進(jìn)行，即先用一把電子槍對(duì)一個(gè)坩堝中的材料進(jìn)行蒸發(fā)，然后把這把電子槍關(guān)閉，再用另外一把電子槍對(duì)另外一個(gè)坩堝中的材料進(jìn)行加熱蒸發(fā)，當(dāng)沉積基板在每層都沉積了一定厚度的材料后(蒸發(fā)率一定的情況下進(jìn)行時(shí)間控制或消耗靶材數(shù)量控制)，再重復(fù)以上操作步驟，周而復(fù)始，最終得到需要的微疊層材料。也可以采用一個(gè)電子槍產(chǎn)生的束流依次加熱蒸發(fā)兩個(gè)坩堝中的材料。在這種情況下，需要通過(guò)程序控制來(lái)調(diào)整電子束導(dǎo)向系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)電流使得電子束能量均勻分布在兩個(gè)單獨(dú)的坩堝上。

雙源蒸發(fā)法是把預(yù)先確定組分的靶材分別放置于水冷隔板兩側(cè)的水冷坩鍋中，由兩把電子槍同時(shí)對(duì)兩個(gè)坩堝中的靶材進(jìn)行加熱蒸發(fā)，基板由垂直軸吊掛并旋轉(zhuǎn)，同時(shí)采用另外兩把電子槍對(duì)沉積基板進(jìn)行加熱。通過(guò)控制垂直軸的旋轉(zhuǎn)速度和兩個(gè)坩鍋的蒸發(fā)速率，調(diào)整微疊層材料的層間距和層厚比。

圖5　雙源蒸發(fā)沉積原理示意圖Fig.5　Sketch of double source evaporation and deposition process

單源蒸發(fā)法和雙源蒸發(fā)法的差異主要表現(xiàn)在兩方面：一是沉積速率和工藝成本方面，單源蒸發(fā)法對(duì)設(shè)備要求較低，但操作復(fù)雜，沉積速率低；雙源蒸發(fā)法要求EB-PVD設(shè)備必須具有水冷隔板，但該方法同時(shí)蒸發(fā)兩種材料，沉積速率高；二是材料顯微結(jié)構(gòu)方面，單源蒸發(fā)法制備的微疊層材料的層與層之間界面更加清晰、平整， 雙源蒸發(fā)法制備的微疊層材料的層與層之間也具有明晰、平整的宏觀界面，但從微觀上看，雙源蒸發(fā)法制備的微疊層材料的界面呈一定的“波浪”形狀。從目前的研究來(lái)看，二者微觀結(jié)構(gòu)的差別對(duì)其宏觀性能沒(méi)有明顯的影響，但具體的結(jié)果尚需進(jìn)一步研究。

近年來(lái)，研究人員在Nb/Nb5Si3微疊層材料的EB-PVD制備工藝研究中引入了輔助離子源[52]，其基本原理是先利用離子源離化從蒸發(fā)坩鍋出來(lái)的材料蒸氣，使蒸氣分子帶上某種電荷，再在沉積基板上加上與之極性相反的電場(chǎng)，利用正負(fù)電荷的吸引力加速蒸發(fā)原子或分子的沉積，從而提高了沉積速率和材料的致密度。輔助離子源的引入還可以用于調(diào)整因材料飽和蒸氣壓不同而引起的蒸發(fā)速率的差異，即在低蒸發(fā)速率靶材上增加輔助離子源頭，提高其沉積速率，從而滿(mǎn)足微疊層材料組元設(shè)計(jì)要求。

電子束物理氣相沉積技術(shù)制備的微疊層材料界面結(jié)合力高，材料缺陷少、致密度高，界面微觀形貌呈梯度或連續(xù)過(guò)渡。并且，電子束物理氣相沉積法所具有的典型粗大柱狀晶結(jié)構(gòu)被周期性地打破，柱狀結(jié)構(gòu)特性被弱化甚至消失，是一種非常適合工程應(yīng)用的Nb/Nb5Si3微疊層材料制備方法。

4　結(jié)束語(yǔ)

Nb/Nb5Si3微疊層材料幾種典型的制備技術(shù)包括熱壓、等離子噴涂、磁控濺射和電子束物理氣相沉積。其中EB-PVD技術(shù)使采用傳統(tǒng)工藝方法很難加工的高溫材料(高溫合金、金屬陶瓷和金屬間化合物)加工變得容易，為實(shí)現(xiàn)高溫材料微疊層化提供了一種新穎的材料設(shè)計(jì)思路和制備方法。EB-PVD技術(shù)在大尺寸較薄高溫結(jié)構(gòu)材料加工，MTPS蒙皮、燃燒室浮動(dòng)壁瓦塊制備等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用前景，是一種最適合工程應(yīng)用的Nb/Nb5Si3微疊層材料制備方法。結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合、納米化疊層、高韌化工藝是未來(lái)EB-PVD技術(shù)制備N(xiāo)b/Nb5Si3微疊層材料的主要發(fā)展方向。

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(責(zé)任編輯：徐永祥)

Characteristics and Preparation Technologies of Nb/Nb5Si3Microlaminate

MU Rende,SHEN Zaoyu,WANG Zhankao

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095,China)

Nb/Nb5Si3superalloy has the most potential in the application of future high temperature structures. Realization of microstructure lamination for this material is a new material design and preparation method. Characteristics and prevailing preparation technologies of Nb/Nb5Si3microlaminate, including hot pressing, plasma spaying, magnetic sputtering and electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) are reviewed. It is pointed out that EB-PVD is a promising technology for producing Nb/Nb5Si3microlaminate from the engineering application point of view. Structure and function compound, nano-laminating and toughening are the developing directions in the future electron beam physical vapor deposited Nb/Nb5Si3microlaminate field.

Nb/Nb5Si3；Microlaminate；EB-PVD; high temperature structure material

2015-11-05；

2015-11-21

國(guó)家863計(jì)劃基金項(xiàng)目(2015AA034403)

牟仁德(1975—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事的研究方向包括：熱障涂層，高溫抗氧化涂層，電子束物理氣相沉積(EB-PVD)和陶瓷隔熱材料，(E-mail)murende@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.013

TG146.4+16

A

1005-5053(2016)03-0124-08