论文摘要：硼和铈含量对铌硅系超高温结构材料组织及性能的影响

铌硅系超高温结构材料具有一系列优异的特性，如高熔点、低密度、优良的高温强度及抗蠕变性能，是未来燃气涡轮发动机材料最有力的竞争者之一。本文采用真空电弧熔炼法制备了多元Nb-Si系超高温结构材料，研究了B和Ce含量对材料微观组织、力学性能以及抗氧化性能的影响，为Nb-Si合金化体系的进一步优化奠定了基础。添加B和Ce后，铌硅系超高温结构材料的微观组织均由铌固溶体相(Nbss)和铌硅化物相(β-Nb5Si3) 两相组成。B多以取代Si的方式固溶在铌硅化物中，B的添加可改变硅化物的形状和分布；添加B后，硅化物的体积分数增大。适量添加Ce能够改变硅化物的形状和分布，并使其组织得到一定程度的细化；当Ce的添加量为0.5at.%时，初生硅化物和共晶硅化物均得到细化。采用增重法进行了Nb-Si系合金的抗氧化性能试验，分析了合金化元素对材料抗氧化性能的影响。结果表明，适量添加B和Ce能在一定程度上改善Nb-Si系合金的高温抗氧化性能。与添加Ce相比，添加B对抗氧化性能的改善较为明显。B改善合金抗氧化性能的作用机制主要有：B通过取代部分Si提高Nb5Si3的抗氧化能力；使氧化皮表面致密化，阻止氧的扩散；延缓氧在基体中的扩散，提高氧化皮的抗裂能力。Ce对合金抗氧化性能作用机理为以下三种因素共同作用的结果：在界面处形成的Ce的氧化物阻碍氧通过界面向内扩散，从而降低内氧化速率；含Ce板条状氧化物的出现提高了氧化皮的抗裂能力，减小了氧化皮的膨胀趋势，并对表层氧化皮起到钉扎作用，防止氧化颗粒的脱落；Ce的添加引起的硅化物体积分数的减小，使合金对氧的阻挡能力减弱。研究了B和Ce对铌硅系合金力学性能的影响规律。结果表明，适量添加B，可使材料的室温压缩强度提高，过量添加后强度有所降低；B对断裂韧性和显微硬度有一定的改善，2at.%B可使断裂韧性值提高32%，B的含量为4at.%时，维氏硬度值提高了23%；Ce对合金室温压缩强度和显微硬度的影响不大，但对断裂韧性有一定程度的改善，0.25at.%的Ce使断裂韧性提高了17%。B和Ce均对冲击性能有一定程度的改善，Ce的改善效果更为明显。B和Ce对力学性能的改善是合金化元素的固溶作用、硅化物体积分数以及硅化物形状和尺寸的变化等多种因素共同作用的结果。