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金属学报  2015, Vol. 51 Issue (7): 815-827    DOI: 10.11900/0412.1961.2014.00477
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合金元素Hf, Sn, Ta, Zr, Dy和Ho对Nb-Nb5Si3合金组织和力学性能的影响*
郭建亭(),周兰章,田玉新,侯介山,李谷松
EFFECT OF Hf, Sn, Ta, Zr, Dy AND Ho ON MICRO- STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF Nb-Nb5Si3 ALLOY
Jianting GUO(),Lanzhang ZHOU,Yuxin TIAN,Jieshan HOU,Gusong LI
Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016
全文: PDF(12836 KB)   HTML
摘要: 

综合评述了作者几年来先后完成的Hf含量对Ni-16Si, Hf和Sn对Ni-20Ti-5Cr-3Al-18Si, Zr含量对Ni-22Ti-16Si, Ta含量对Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al和稀土元素Dy和Ho对Ni-23Ti-10Ta-2Cr-18Si和Ni-22Ti-16Si-7Cr-3Al-3Ta-2Hf等合金组织结构和力学性能影响的研究工作. 合金元素Hf, Zr, Sn+Hf, Ta, Dy和Ho加入Nb-Si二元系或多元系合金, 明显提高其室温和高温屈服强度和塑性以及断裂韧性. 强度的提高与合金元素的固溶强化有关, 塑性、韧性的改善与组织的细化和超过临界尺寸的固溶体(Nb, Ti)ss颗粒增多等因素有关.

关键词 Nb5Si3合金元素组织力学性能    
Abstract

This paper reviews the research works of effects of elements on the microstructure and mechanical properties of Nb-Si alloys conducted by the authors in recent years, including effect of Hf on Ni-16Si, Hf and Sn on Ni-20Ti-5Cr-3Al-18Si, Zr on Ni-22Ti-16Si, Ta on Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al, and rare earth elements Dy and Ho on Ni-23Ti-10Ta-2Cr-18Si and Ni-22Ti-16Si-7Cr-3Al-3Ta-2Hf, respectively. The addition of elements Hf, Zr, Sn+Hf, Ta, Dy and Ho in Nb-Si binary system and multi-component system enhances room and high temperature strength, plasticity and fracture toughness obviously. The enhancement of strength is related with the solution strengthening of elements, and the improvement of plasticity and ductility is related with the fining of microstructure and the increase of particles which exceed the critical size of (Nb, Ti)ss.

Key wordsNb5Si3    alloy element    microstructure    mechanical property
    

引用本文:

郭建亭,周兰章,田玉新,侯介山,李谷松. 合金元素Hf, Sn, Ta, Zr, Dy和Ho对Nb-Nb5Si3合金组织和力学性能的影响*[J]. 金属学报, 2015, 51(7): 815-827.
Jianting GUO, Lanzhang ZHOU, Yuxin TIAN, Jieshan HOU, Gusong LI. EFFECT OF Hf, Sn, Ta, Zr, Dy AND Ho ON MICRO- STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF Nb-Nb5Si3 ALLOY. Acta Metall Sin, 2015, 51(7): 815-827.

链接本文:

https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2014.00477      或      https://www.ams.org.cn/CN/Y2015/V51/I7/815

图1  不同Hf含量的Nb-16Si合金的BSE像[10]
Alloy Phase Nb Si Hf
Nb-16Si Nbss 98.04 1.96 -
Nb3Si 75.35 24.65 -
Nb-16Si-1Hf Nbss 97.07 2.19 0.74
Nb3Si 74.77 23.98 1.25
Nb-16Si-3Hf Nbss 95.53 2.47 2.00
Nb3Si 71.78 24.36 3.86
Nb-16Si-7Hf Nbss 91.77 1.81 6.42
Nb3Si 67.66 24.20 8.14
表1  不同Hf含量Nb-16Si合金相的化学成分[10]
图2  Hf含量对Nb-16Si合金室温断裂韧性的影响[10]
图3  Nb-16Si-1Hf合金的裂纹扩展路线形貌[10]
图4  几种合金的BSE像[1]
图5  富Hf 白色相的形貌及沿g-(Nb, Ti)5Si3相[112ˉ3] 晶带轴的选区电子衍射花样[1]
Alloy Phase Nb Ti Cr Al Si Sn Hf
A (Nb, Ti)ss 58.69 25.04 11.91 2.97 1.58 - -
(Nb, Ti)5Si3 51.38 13.62 0.30 1.70 33.00 - -
Ti-rich (Nb, Ti)5Si3 46.10 17.65 0.47 3.31 32.47 - -
B (Nb, Ti)ss 58.93 24.76 9.43 3.11 1.61 2.16 -
(Nb, Ti)5Si3 50.60 13.71 1.25 1.76 32.10 0.58 -
Ti-rich (Nb, Ti)5Si3 45.64 16.89 1.64 3.91 32.25 0.39 -
C (Nb, Ti)ss 56.92 24.62 9.35 3.04 1.12 2.23 2.72
(Nb, Ti)5Si3 49.34 10.27 1.31 1.87 32.31 0.50 4.40
Hf-rich (Nb, Ti)5Si3 26.22 23.86 1.55 3.10 31.52 0.30 13.45
表2  A, B和C合金中相的化学成分[1]
Alloy Vickers hardness / MPa Yield strength Fracture strength Compressive ductility
(Nb, Ti)ss b-(Nb, Ti)5Si3 MPa MPa %
A 685 1380 - 1806 -
B 589 1387 1625 1680 2.1
C 692 1429 1698 1846 6.3
表3  A, B和C合金的室温压缩性能[1]
图6  不同Ta含量的Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al合金的BSE像[13]
Content / % Phase Nb Ti Si Al Cr Ta
0 (Nb, Ti)ss 68.85 18.85 1.81 3.69 7.04 0
(Nb, Ti)5Si3 49.60 13.46 33.49 2.08 1.36 0
2 (Nb, Ti)ss 56.83 23.27 4.63 3.61 9.33 2.33
(Nb, Ti)5Si3 44.13 16.10 35.44 1.85 1.77 0.71
5 (Nb, Ti)ss 54.48 21.22 6.71 3.30 8.18 6.11
(Nb, Ti)5Si3 42.48 14.86 37.05 1.20 1.55 2.86
10 (Nb, Ti)ss 50.74 17.99 8.87 3.77 5.29 13.34
(Nb,Ti)5Si3 35.87 14.49 34.87 2.65 1.93 5.19
表4  不同Ta含量Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al合金中各相的成分[13]
图7  Ta含量对Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al合金室温压缩强度和断裂应变的影响[13]
图8  不同Ta含量Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al合金在1000 ℃的压缩屈服强度[13]
图9  不同Zr含量的Nb-22Ti-16Si合金的BSE像[11]
Content / % Phase Nb Ti Zr Si
0 (Nb, Ti)ss 78.76 18.97 - 2.27
(Nb, Ti)3Si 59.47 17.95 - 22.58
g-(Nb, Ti)5Si3 30.58 33.61 - 35.81
2 (Nb, Ti)ss 79.86 17.86 0.95 1.32
(Nb, Ti)3Si 56.47 22.78 1.21 19.40
g-(Nb, Ti)5Si3 33.77 29.01 7.12 30.15
4 (Nb, Ti)ss 77.45 19.06 2.30 1.21
(Nb, Ti)3Si 48.80 26.52 2.26 22.43
g-(Nb, Ti)5Si3 31.85 26.62 10.07 32.55
表5  不同Zr含量Nb-22Ti-16Si合金各组成相的化学成分[12]
图10  含3%Zr的Nb-22Ti-16Si合金中g-Nb5Si3的明场像和选区电子衍射谱[11]
图11  (Nb, Ti)ss/g-(Nb, Ti)5Si3界面的HRTEM像[20]
图12  Zr含量对Nb-22Ti-16Si合金室温压缩性能的影响[11]
Alloy (Nb, Ti)ss (Nb, Ti)3Si
Nb-22Ti-16Si 390 906
Nb-22Ti-16Si-1Zr 394 1015
Nb-22Ti-16Si-2Zr 484 1048
Nb-22Ti-16Si-3Zr 513 1139
Nb-22Ti-16Si-4Zr 545 1157
表6  Zr含量对Nb-22Ti-16Si组织相显微硬度的影响[11]
图13  不同Zr含量Nb-22Ti-16Si合金的室温压缩断口形貌[12]
图14  Nb-23Ti-10Ta-2Cr-18Si-xDy合金的BSE像[13]
x Phase Nb Ti Ta Cr Si Dy O
0 (Nb, Ti)ss 58.02 22.25 12.96 3.57 3.20 - -
a-(Nb, Ti)5Si3 41.83 15.33 6.33 0.83 35.68 - -
g-(Ti, Nb)5Si3 31.22 26.68 6.29 0.97 34.84 - -
0.1 (Nb, Ti)ss 56.01 23.93 13.45 3.60 3.01 - -
a-(Nb, Ti)5Si3 42.37 14.53 6.11 0.87 36.12 - -
g-(Ti, Nb)5Si3 32.58 27.54 5.99 0.81 33.08 - -
Dy2O3 0.81 - - - - 39.40 59.79
表7  2种合金各组成相的化学成分[13]
图15  Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al-3Ta-2Hf-0.1Ho合金的BSE像[17]
图16  a-(Nb, Ti)5Si3/(Nb, Ti)ss层片的TEM明场像[20]
图17  0.1%Dy 合金中穿过2相界面的EDS线扫描图[13]
x Yield strength / MPa Fracture strain
RT 1273 K 1473 K at RT / %
0 1760 730 399 13.0
0.1 1941 820 445 18.2
表8  Nb-23Ti-10Ta-2Cr-18Si-xDy (x=0, 0.1)合金的压缩性能[14]
图18  不同Ho含量Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al-3Ta-2Hf合金的力学性能[15]
图19  Nb-22Ti-16Si-7Cr-3Al-3Ta-2Hf-0.1Ho合金横截面和纵截面的BSE像[19]
图20  普通铸造(CC)和定向凝固(DS)合金在1623 K的压缩真应力-真应变曲线[19]
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