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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

作　者: 丁旭
导　师: 郭喜平
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: 铌-硅基共晶自生复合材料定向凝固电子束区熔高温度梯度组织特征强化相增韧机理断裂机制
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

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-Nb₃Si／Nb₅Si₃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、Nb₃Si相和Nb₅Si₃相为RMICs材料的组成相，发现了Nb基固溶体与Nb₃Si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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章资料综述  9-29
  1.1 定向凝固技术的发展  9-13
    1.1.1 定向凝固技术的种类和特点  9-12
    1.1.2 提高温度梯度的途径  12-13
  1.2 高温材料发展的要求  13-14
  1.3 定向凝固共晶自生复合材料的发展  14-16
    1.3.1 定向凝固共晶自生复合材料的特点  14-16
    1.3.2 定向凝固共晶自生复合材料的研究热点  16
  1.4 新型铌-硅基共晶自生复合材料的研究进展  16-26
    1.4.1 引言  16-19
    1.4.2 铌-硅基共晶自生复合材料的成分设计特点  19-22
    1.4.3 铌-硅基共晶自生复合材料的性能分析  22-26
    1.4.4 结论  26
  1.5 选题的目的、意义和研究路线  26-29
    1.5.1 课题来源  26
    1.5.2 选题的目的、意义  26-27
    1.5.3 研究路线  27-29
第二章研究内容及实验方法  29-39
  2.1 铌-硅基RMICs材料的成分设计  29
  2.2 铌-硅基RMICs材料母合金锭的制备  29-32
    2.2.1 原料的准备及处理  29-30
    2.2.2 真空自耗电弧熔炼  30-32
    2.2.3 RMICs材料母合金锭密度的测定  32
  2.3 铌-硅基RMICs材料在高温梯度下的定向凝固及组织分析  32-37
    2.3.1 定向凝固技术与设备简介  32-35
    2.3.2 试棒的准备  35
    2.3.3 实验过程及控制  35-36
    2.3.4 试样的制备和组织分析  36-37
  2.4 铌-硅基RMICs材料在室温条件下的力学性能测试  37-39
    2.4.1 实验方法  37
    2.4.2 试验参数的选定  37-38
    2.4.3 断口形貌的观察  38-39
第三章电子束区熔定向凝固铌-硅基RMICs材料的组织特征  39-64
  3.1 电子束区熔炉温度梯度的估算和熔区稳定性的分析  39-44
    3.1.1 熔区温度梯度的测量方法  39
    3.1.2 熔区温度梯度的估算  39-43
    3.1.3 熔区的稳定性  43-44
  3.2 共晶自生复合材料定向凝固的生长规律和影响因素  44-46
  3.3 铌-硅基RMICs材料定向凝固共晶组织形态  46-59
    3.3.1 Nb基固溶体、Nb_3Si和Nb_5Si_3金属间化合物的晶体结构  46
    3.3.2 铌-硅基RMICs材料共晶凝固的组织形貌  46-59
  3.4 铌-硅基RMICs材料共晶凝固组织的X射线衍射图谱及位相关系  59-62
    3.4.1 X射线衍射图谱分析  60
    3.4.2 透射电镜分析  60-62
  3.5 本章小结  62-64
第四章铌-硅基RMICs材料的力学性能  64-78
  4.1 复合材料的强化理论及断裂机制  64-70
    4.1.1 复合材料的强化理论  64
    4.1.2 复合材料的增韧机理  64-67
    4.1.3 复合材料的断裂机制  67-70
  4.2 结果与分析  70-76
    4.2.1 试样的应力-应变曲线  70-73
    4.2.2 试样的拉伸断口形貌  73-75
    4.2.3 试样的断裂韧性  75-76
  4.3 本章小结  76-78
结论  78-79
参考文献  79-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-85
致谢  85-86

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

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