元素?fù)诫s對Laves相NbCr2化合物組織和力學(xué)性能影響的研究進(jìn)展

萬鵬

摘 要：Laves相NbCr2合金具有非常高的高溫強(qiáng)度，高溫下有著良好的力學(xué)性能及斷裂韌性。從元素?fù)诫s對Laves相NbCr2化合物組織和力學(xué)性能影響的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)對Laves相NbCr2的斷裂韌性和高溫抗氧化性兩方面的元素?fù)诫s研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：Laves相；NbCr2；元素?fù)诫s；斷裂韌性；高溫抗氧化性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.264

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，提升航空發(fā)動機(jī)的主要方向在提高效率和推重比上，而要使發(fā)動機(jī)具備更高的工作效率及推重比，必須適應(yīng)更高的工作溫度，高溫結(jié)構(gòu)材料需求日益增大[1]。過渡金屬Laves相基合金被認(rèn)為是具有超越鎳基合金應(yīng)用潛力的新型高溫結(jié)構(gòu)材料的候選之一，其中難熔金屬Nb和合金元素Cr形成的Laves相NbCr2不僅具有熔點(diǎn)高、比重適當(dāng)以及高溫下力學(xué)性能良好的特點(diǎn)，而且其性能介于陶瓷材料和金屬材料之間，是近年來材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[2]。然而，Laves相NbCr2合金也存在一些缺陷，在室溫下非常脆，其室溫脆性限制和阻礙了該合金的工程應(yīng)用。針對NbCr2合金室溫韌性差等問題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，本文對Laves相NbCr2合金的增韌機(jī)制和氧化機(jī)理進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)從斷裂韌性和高溫抗氧化性兩方面，綜述了元素?fù)诫s對Laves相NbCr2化合物組織和力學(xué)性能影響的研究現(xiàn)狀及相關(guān)研究成果。

1 Laves相NbCr2金屬間化合物的韌化效應(yīng)

1.1 Laves相NbCr2的韌化機(jī)制

Laves相是具有分子式AB2型和拓?fù)涿芘啪w結(jié)構(gòu)最豐富的金屬間化合物，一個突出的例子是NbCr2。Laves相NbCr2合金晶體的常見結(jié)構(gòu)類型有三種：密排六方C14（MgZn2型）、面心立方C15（MgCu2型）和雙密排六方C36（MgNi2型）。在三種晶體結(jié)構(gòu)中，每種晶體結(jié)構(gòu)的基本堆垛單元都是由四層原子面組成，大原子Nb和小原子Cr各占兩層原子面[3]。其中對于C15型Laves相NbCr2合金，其合金彌散分布于基體組織中，且位錯運(yùn)動到Laves相的棱錐面上時，由于棱錐面與位錯運(yùn)動方向的不一致性，其運(yùn)動趨勢將會受到阻礙甚至?xí)Ｖ?，位錯會以攀移的方式到相鄰的Laves相面進(jìn)行滑移。

而材料的斷裂韌性是材料塑性與強(qiáng)度的綜合體現(xiàn)，是斷裂過程中所需要能量的參量。通過上述對C15型NbCr2 的結(jié)構(gòu)和特征的簡要介紹，Laves相NbCr2的室溫韌性是其固有脆性的結(jié)果。

1.2 元素?fù)诫s對斷裂韌性的影響

元素?fù)诫s是改善金屬間化合物室溫脆性和提高力學(xué)性能的一種非常有效和常見的措施，也是影響金屬間化合物的斷裂韌性的一個至關(guān)重要的因素。在合金成分方面，由于合金的加入會改變相變趨勢和速率，并發(fā)生結(jié)構(gòu)占位和阻礙位錯運(yùn)動等現(xiàn)象，進(jìn)而引起合金組織的改變。

目前，作為合金元素進(jìn)行研究的有Ti、Fe、Nb、Mo、V等。姚強(qiáng)等[4-6]對過渡金屬元素V、Ti和W在C15結(jié)構(gòu)中的 Laves相NbCr2中的晶格占位進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。與C15單相NbCr2合金相比，添加5% V使鑄態(tài)合金中既沒有微孿晶也沒有堆垛層錯，而在添加Mo、W的三元合金中有許多微孿晶和層錯。在添加Mo、W的合金中觀察到高溫相C14或C36的存在，說明V的添加提高C15相的穩(wěn)定性，而Mo和W降低了C15相的穩(wěn)定性[7]。由于雜質(zhì)污染一直伴隨著機(jī)械合金化全過程，如磨球中的Fe元素和篩分時的分體污染等問題。因此，為了盡可能減少雜質(zhì)污染幾率、降低雜質(zhì)含量以及球磨粉體的粒徑在納米范圍，可以把機(jī)械球磨和熱壓燒結(jié)相結(jié)合在一起用于制備Laves相合金。

2 Laves相NbCr2金屬間化合物的高溫抗氧化性

2.1 Laves相NbCr2的抗氧化機(jī)理

由于Laves相NbCr2合金的高熔點(diǎn)和室溫致脆性，若采用濕砂型鑄造則在低溫階段就可能發(fā)生裂紋傾向且不易控制溫度梯度等現(xiàn)象，因此首選采用熔模鑄造。由于熔鑄法制備出的Laves相NbCr2合金綜合性能較差，研究者通過采用機(jī)械合金方法來細(xì)化粉末晶粒，在受外力的作用下，晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小，變形較均勻，并其晶界密度提高，致使一些初發(fā)微裂紋能夠彌合，不易生成或傳播，因而穩(wěn)定性得到改善。

薛云龍等[8]采用定向凝固方法來控制Laves相NbCr2-20Ti合金定向組織和形態(tài)，合金在不同定向凝固速率下的組織均由C15-NbCr2和β-Ti 兩相構(gòu)成，高溫相β-Ti的形成是由于Cr的穩(wěn)定化作用所致，并隨著凝固速率的增加，C15- NbCr2枝晶逐漸分裂，枝晶生長方向越偏向擇優(yōu)取向，凝固組織變細(xì)。最終達(dá)到較好的高溫抗氧化性。

2.2 元素?fù)诫s對高溫抗氧化性的影響

元素?fù)诫s也是影響金屬間化合物的高溫抗氧化性能和其熱穩(wěn)定性的一個至關(guān)重要的因素。雖然元素?fù)诫s后的金屬間化合物相的穩(wěn)定性不能只從幾何填充因素方面考慮，但是，由于添加合金元素進(jìn)而改變其合金相或第二相的鍵能和位錯層能，達(dá)到改善其變形能力和熱穩(wěn)定性目的。

Yoshida等對含有5%V的Laves相NbCr2合金在1623K時的高溫變形后，其C15結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和高溫塑性都有很大的提高。在Laves相NbCr2合金化的二元或多元系中，Laves相的相轉(zhuǎn)變和穩(wěn)定性與晶格或電子等因素的改變有關(guān)。許多研究學(xué)者為了研制出高溫結(jié)構(gòu)材料的連續(xù)使用上限溫度，付浩等對鈮基合金進(jìn)行了高溫強(qiáng)化性能研究，結(jié)果表明，添加了W、Mo元素的合金，可與基體形成合金化固溶體，從而提高材料的高溫蠕變性能。而添加C和Zr元素后，形成碳化物強(qiáng)化相，在經(jīng)過1600-1900℃的長時間保溫后使得碳化物分布均勻，最終達(dá)到細(xì)化。

3 結(jié)束語

室溫脆性和高溫抗氧化性是Laves相NbCr2發(fā)展的兩個關(guān)鍵因素作為潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料， Laves相NbCr2在高溫力學(xué)、高溫抗氧化和高溫穩(wěn)定性能方面已顯示出非凡的潛力。人們對Laves相NbCr2相結(jié)構(gòu)和變性特征機(jī)理的深入認(rèn)識， 并且隨著新理念、新技術(shù)和新工藝的不斷推進(jìn)，Laves相NbCr2的高溫穩(wěn)定性會取得較大的提高。可以相信， 將對我國的航空航天事業(yè)， 特別是國防工業(yè)的飛速發(fā)展有著極大地促進(jìn)作用，并加快Laves相NbCr2合金作為新型高溫結(jié)構(gòu)材料的工程化應(yīng)用進(jìn)程具有重要意義。endprint

參考文獻(xiàn)：

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