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《西北工业大学》 2004年
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新型铌—硅基共晶自生复合材料的定向凝固技术及组织控制

丁旭  
【摘要】: 定向凝固难熔金属基共晶自生复合材料由于具有密度低、承温能力高、室温断裂韧性好、高温强度高和高温持久寿命长等性能优势,有望成为新一代航空发动机叶片用超高温结构材料。 本文采用真空电弧自耗熔炼法制备了铌—硅基RMICs材料的母合金锭,并采用电子束区熔(EBFZM)高温度梯度定向凝固装置制备了定向效果良好的Nb-Nb_3Si/Nb_5Si_3共晶自生复合材料,并对其定向凝固工艺参数和组织之间的对应规律、组织特性进行了研究,探讨了凝固组织对室温力学性能的影响及其断裂机制。 实验发现,熔区内固液界面前沿的温度梯度随着区熔速率(R)的增加呈线性增加。铌—硅基RMICs材料原始铸态组织由初生Nb基固溶体和在其间分布的Nb基固溶体+硅化铌共晶团组成;随着抽拉速率的增大,定向凝固共晶组织中硅化铌强化相细化、数量增多、分布趋于规则和均匀,定向效果显著;在相同抽拉速率条件下,区熔试样的组织从起始段到终止段发生了改变。根据X射线衍射和TEM选区电子衍射分析,确定了Nb基固溶体、Nb_3Si相和Nb_5Si_3相为RMICs材料的组成相,发现了Nb基固溶体与Nb_3Si相的位相关系为[(?)]_(Nb3Si)//[(?)]_(Nb)。 原始铸态试样和电子束区熔定向凝固试样的室温拉伸均表现出脆性断裂的特征。随着抽拉速率的提高和硅化铌强化相间距与尺度的减小,材料的室温拉伸强度和断裂韧性均有提高,σ_b最高可达778.4MPa,K_(IC)达到了46.3MPa·m ~(1/2);试样的拉伸断口基本表现为脆性解理断裂的花样,裂纹沿基体/强化相界面绕过强化相进行扩展,在裂纹扩展方向存在解理台阶,并形成撕裂棱。原始铸态试样的断口没有明显的韧窝存在,而定向凝固试样的断口形貌中,在强化相的表面有一些非常细小的韧窝,韧窝内为二次沉淀的Nb基固溶体小颗粒。 由以上实验结果及分析可以看出,采用高温度梯度的电子束区熔定向凝固技术能够制备出组织细化、定向效果良好的铌—硅基RMICs试样,并可提高材料的力学性能。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TB33

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