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Nb-Al系金属间化合物及其复合材料研究进展

来源期刊:中国有色金属学报2011年第1期

论文作者:罗民 陈焕铭 王怀昌 何力军 李星

文章页码:72 - 79

关键词:Nb-Al系; 金属间化合物; 复合材料; 高温结构材料

Key words:Nb-Al system; intermetallics; composite; high-temperature structure materials

摘    要:综述了Nb-Al系金属间化合物作为高温结构材料的最新研究进展和发展趋势。对目前国内外Nb-Al系金属间化合物及其复合材料的制备工艺、组织结构控制和力学性能的研究现状进行评述。结果表明:通过延性相增韧、合金化、层状结构设计、复合材料设计等方法,可以显著改善Nb-Al金属间化合物的室温脆性、抗氧化能力、高温强度及抗蠕变性能。Nb-Al系金属间化合物的研究方向应集中发展以Nb3Al及NbAl3金属间化合物为基体,以SiC、Al2O3及TiC等陶瓷相为增强相强化的陶瓷-铌基合金复合材料。

Abstract: The recent research progress and prospects of Nb-Al intermetallics compounds for structural applications were discussed. The processing and mechanical properties of the Nb-Al intermetallics and their composites were reviewed. The results show that the ductile phase toughening, alloying, microlamination and composite design can improve the brittle fracture at room temperature, oxidation resistance, high-temperature strength and creep resistance. The research on Nb-Al system materials should be focused on the ceramics phase (SiC, Al2O3 and TiC) reinforced Nb3Al and NbAl3 matrix composites.



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文章编号:1004-0609(2011)01-0072-08

Nb-Al系金属间化合物及其复合材料研究进展

罗 民1, 陈焕铭2,王怀昌1, 何力军2,李 星1

(1. 宁夏大学 化学化工学院, 银川 750021; 2. 宁夏大学 物理电气信息学院, 银川 750021)

摘  要: 综述了Nb-Al系金属间化合物作为高温结构材料的最新研究进展和发展趋势。对目前国内外Nb-Al系金属间化合物及其复合材料的制备工艺、组织结构控制和力学性能的研究现状进行评述。结果表明:通过延性相增韧、合金化、层状结构设计、复合材料设计等方法,可以显著改善Nb-Al金属间化合物的室温脆性、抗氧化能力、高温强度及抗蠕变性能。Nb-Al系金属间化合物的研究方向应集中发展以Nb3Al及NbAl3金属间化合物为基体,以SiC、Al2O3及TiC等陶瓷相为增强相强化的陶瓷-铌基合金复合材料。

关键词:Nb-Al系; 金属间化合物; 复合材料; 高温结构材料

中图分类号:TF841.6       文献标志码:A

Research progress of Nb-Al system intermetallics and composite

LUO Min1, CHEN Huan-ming2, WANG Huai-chang1, HE Li-jun2, LI Xing1

1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;

2. School of Physics and Electrical Information Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract: The recent research progress and prospects of Nb-Al intermetallics compounds for structural applications were discussed. The processing and mechanical properties of the Nb-Al intermetallics and their composites were reviewed. The results show that the ductile phase toughening, alloying, microlamination and composite design can improve the brittle fracture at room temperature, oxidation resistance, high-temperature strength and creep resistance. The research on Nb-Al system materials should be focused on the ceramics phase (SiC, Al2O3 and TiC) reinforced Nb3Al and NbAl3 matrix composites.

Key words: Nb-Al system; intermetallics; composite; high-temperature structure materials

金属间化合物由于具有密度小、熔点高、高温性能优越、化学稳定性良好等特点,在航空、舰艇和工业用燃气轮机的高温部件、航天器及火箭发动机、核反应堆、石油化工设备等领域应用具有独特的优势。在近十多年来,工业发达国家,如美国、日本、欧洲都制定了全国性的研究计划来大力发展金属间化合物结构材料,其长远目标是发展具有比Ni基高温合金性能更好的高温结构材料,特别注重发展一种使用温度和力学性能介于Ni基高温合金和高温陶瓷材料之间的高温材料、使用温度更高而高温力学性能特别是强韧性良好的材料[1]

金属铌熔点较高、延展性和导热性优良,是密度最低的难熔金属(密度为8.6 g/cm3)。铌与铝形成的金属间化合物具有优良的高温强度、较高的熔点和较低的密度。这种材料与目前广泛研究和应用的Fe-Al系、Ni-Al系、Ti-Al系相比,具有更高的熔点和适中的密度(见表1),是一种潜在的高温结构材料。同时,Nb-Al也可作为一种高电流、高磁场下的超导材料来使    用[2-3]。由于具有复杂的晶体结构和有限的滑移带,铌铝金属间化合物的室温塑性和韧性差,因此,提高延性和增韧是其获得工业应用的必备条件。制约Nb-Al应用的另一个主要原因是其抗氧化性能较弱,铌及其合金材料在空气气氛中600 ℃以上会发生严重氧化,导致脆性断裂。通常采用合金化或延性相增韧来避免其室温脆性,通过合金化和金属陶瓷复合工艺改善其抗氧化性能。

目前研究较多的Nb-Al系金属间化合物主要包括Nb3Al和NbAl3。Nb3Al金属间化合物的高温屈服强度非常高,在1 200 ℃为800 MPa,1 300 ℃为500 MPa。Nb2Al合金很少作为结构材料来使用,单相Nb2Al非常脆, 且韧脆转折温度(BDTT)高于1 150 ℃。通过元素粉末热压反应制备单相Nb2Al的压缩实验表明,在   1 200 ℃以下发生脆性断裂, 但屈服强度比单相Nb3Al合金的屈服强度高(当应变速率为1×10-4 s-1时, 温度为1 300 ℃时为870 MPa, 温度为1 500 ℃时为290 MPa)[4]。NbAl3合金的熔点高、密度低和高温氧化性能好,在Nb-Al系3种金属间化合物中具有最低的氧化速率[5]。近年来,NbAl3合金的高温抗氧化性能可以通过添加Cr、Y和Si的微合金化过程来改善[6] 。这些元素的添加导致铝的选择性氧化,在NbAl3合金表面形成一层连续致密的氧化铝保护层。Nb-40%Al- 8%Cr-l%Y-l%Si 合金的抗氧化性能与Ni-30%Al-l%Zr的抗氧化性能相当。本文作者综述目前Nb-Al系化合物的最新研究进展,介绍Nb-Al系金属间化合物及其复合材料的制备、性能和研究现状,并分析其发展   趋势。

表1  金属间铝化合物的晶体结构和基本物理性能 [6-7]

Table 1  Crystal structure and basic physical properties of aluminides[6-7]

1  Nb-Al金属间化合物的制备方法

1.1  熔铸工艺

Nb-Al合金在熔炼过程中,由于铌和铝的密度和熔点存在很大的差异,容易导致低熔点元素的挥发,Nb和气氛气体、坩锅或模具之间的反应, 从而影响合金收率。电子束熔炼、真空或氩电弧熔炼、等离子电弧熔炼是熔铸Nb-Al合金的常用方法。电子束熔炼时,由于其能量高导致Al的挥发很严重,难以获得所需要的合金成分;电弧熔炼是目前广泛采用的制备难熔金属间化合物的方法,此方法可用于制备具有超高熔点的材料。OKABE等[8]用铝和钙还原氧化铌制备铌铝化合物,但必须通过酸溶液来沥滤其产物中的Ca-Al合金及CaAl2和CaO等杂质。目前,工业上采用铝热还原方法制得NbAl中间合金,在中间合金的基础上添加Nb或Al制得不同Al含量的Nb-Al合金。

不同方法熔炼的铸锭的凝固组织存在明显差别。定向凝固的Nb-Al合金铸锭的共晶组织中不产生“原位”排列的复合组织。为了改善这种共晶形貌, 在合金中添加Ti和Ni可以改变二元系的球状形貌。电弧熔炼Nb-Al合金时,加入2% Ti(摩尔分数)后, 合金铸锭的共晶形貌不变, 只改变NbAl3的枝晶形貌, 所产生的枝晶是很细小的鱼骨形组织, 而枝晶间组织形貌呈球形;当加入2%Ni(摩尔分数)时, 产生的枝晶形貌呈细小棒状。KAMATA等[9]采用高频感应凝壳炉熔炼Nb-Al合金,研究熔体与各种氧化物(Y2O3、MgO、ZrO2、HfO2、CaO)模具的反应性以实现Nb3Al合金的精密铸造, 其中,在Y2O3铸模中铸出的精密铸件无裂纹且外观良好,表层组织也无反应层,相组成与化学成分都很均匀,各组分的偏差可控制在l%(摩尔分数)以下,杂质元素氧和氮的含量在0.03%(摩尔分数)   以下。

1.2  机械合金化工艺

机械合金化方法是制备Nb-Al合金的方法之一,可有效控制微观组织, 细化晶粒, 从而提高材料的力学性能。用机械合金化方法制备的Nb-Al合金粉末为晶粒尺寸可达纳米级的NbAl3金属间化合物,而富Nb的Nb3Al相只能通过后续热处理工艺才能得到。DOLLAR等[10]和DYMEK等[11] 用机械合金化-热压工艺制备了致密无裂纹的Nb3Al基合金。TRACY和GROZA[12]用Nb粉和Al粉在872~877 ℃加热后球磨形成Nb3Al粉末,粉体在67 Pa真空度,30 MPa压力,1 200 ℃进行等离子体烧结4 min后达到理论密度,样品的维氏硬度为10 GPa,如此高的硬度是由于晶粒细化和在球磨过程中用己烷作为球磨介质形成了部分碳化铌。

1.3  高温自蔓延烧结工艺

自蔓延高温合成(SHS)是利用一定配比原料自身的燃烧反应放热使化学反应过程自发持续进行,从而获得具有指定成分和结构产物的一种新型材料合成手段,具有能耗低、反应时间短、设备简单、产物纯度高等优点。当使用元素粉末高温自蔓延或燃烧合成来制备Nb-Al合金时, 由于Nb-Al体系化学反应放热量少,需要混合配比粉体在较高温度预热、保温或采用机械活化法活化粉体,降低活化能,还可以添加少量的B来增加反应的放热量[13-17]。MILANESE等[18]研究了NbAl金属间化合物的高温自蔓延机理。根据原料的计量比不同产生两种燃烧反应机制,即溶解-沉淀机理、固态反应机理。BHATTACHARYA等[14, 17]使用Nb + 0.33A1 + 3%B 燃烧合成了以Nb2Al为基体、Nb和Nb3Al为第二相、NbB颗粒沿晶界分布的复合材料,该材料的强度和韧性都远远高于单相Nb2Al合金的强度和韧性。GAUTHIER等[19-20]利用机械活化自蔓延高温合成(MASHS)技术制备纳米结构的NbAl3粉体:首先将Nb+3Al混合粉末预先进行机械活化,压制成块状样品,在500~600 ℃下进行自蔓延反应生成50%~55%理论密度的Nb3Al纳米粉。机械合金化过程破坏了元素粉体表面的氧化层,提高了反应物的接触面积,缩短了反应扩散距离。Nb3Al的成核过程是分散在Al(Nb)熔液中的铌表面的异质成核过程。

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