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Laves相NbCr2合金的高温抗氧化性能和室温脆性制约了其作为高温结构材料的应用进程。合金化是提高材料力学性能和高温抗氧化性能的一种有效手段。本文通过机械合金化+热压烧结工艺制备Laves相NbCr2基合金,并掺杂适量的稀土氧化物Y2O3和合金元素Si,以期达到在提高或不严重降低合金力学性能的同时,改善其高温抗氧化性能的目的。
化学计量配比成分的Cr、Nb混合粉随球磨时间的增加晶粒逐渐细化,经20h的球磨后热压过程中固相合成反应基本完全,合成出了单相Laves相NbCr2,而添加Y2O3或Si滞后了晶粒细化的过程,致使球磨20h的Cr和Nb粉晶粒尺寸相对较大。
经0~50h球磨和1250℃×0.5h热压后的Cr-33Nb合金致密度和维氏硬度随着球磨时间的延长而提高,组织更加均匀细化。经1200℃×5h氧化后,球磨20h的热压试样增重最少,氧化膜厚度最小,球磨时间过长或过短都不利于合金高温抗氧化性能的提高。因此,较佳的球磨时间为20h。Cr-33Nb合金的氧化产物由Cr2O3和CrNbO4组成。
Y2O3的添加降低了Cr-33Nb热压试样的维氏硬度,含0.5wt.%Y2O3时合金维氏硬度最大(8.83GPa),略低于未添加Y2O3的合金(9.76GPa)。同时Y2O3的添加还不利于合金组织的均匀性和致密性,导致1100℃和1200℃的氧化增重较大,但Y2O3的添加增强了氧化膜的粘附性,在一定程度上改善了合金的高温抗氧化性能。
Si对改善Cr-Nb合金性能的作用十分显著。随Si含量的增加,Cr-33Nb合金的维氏硬度和断裂韧性都有所提高,含7wt.%Si的合金维氏硬度达到11.18GPa。这主要是因为在热压过程中形成了硬质相Nb5Si3。而且,研究发现Si使NbCr2合金在1100℃和1200℃氧化速率大大降低。含5wt.%Si的合金在两种温度下的氧化增重都最少,氧化脱落量也最小,抗氧化性能明显得到改善。为了进一步改善合金的性能,在Laves相NbCr2合金中引入Cr固溶体和Nb固溶体作为第二相。Cr-25Nb合金的维氏硬度和断裂韧性随Si含量的增加而提高,含7wt.% Si时维氏硬度为10.11GPa,远高于不含Si的Cr-25Nb合金(7.67GPa)。Si元素使Cr/NbCr2合金在1100℃和1200℃的氧化速率和氧化增重随其含量的增加逐渐降低,改善了氧化膜层状易剥落的结构。由于软第二相的作用,Cr/NbCr2-Si合金和Nb/NbCr2-Si合金维氏硬度都有所下降,越偏离化学配比成分维氏硬度越低,但韧性越好。Cr-25Nb+5wt.%Si合金的维氏硬度为9.74GPa,较接近不含合金元素的Cr-33Nb合金。1200℃下Cr-15Nb+5wt.%Si合金具有比Cr-33Nb+5wt.%Si更低的氧化增重,但Cr-25Nb+5wt.%Si合金在两种温度下具有最少的氧化膜脱落量。由于Nb和Nb5Si3氧化性能都较差,所以Nb/NbCr2-Si合金的氧化性能都较差。