铌及铌合金高温涂层研究进展

铌及铌合金以其熔点高、耐腐蚀和良好的高温强度成为重要的高温结构材料.但高温抗氧化性能较差是制约其应用的关键问题.论述了铌及铌合金高温抗氧化涂层的研究进展.分析了研究中面临的问题,并提出了解决途径.     

铌合金表面高温抗氧化涂层

介绍了铌合金表面高温抗氧化涂层的4大体系--耐热合金涂层、铝化物涂层、硅化物涂层和贵金属涂层的组成、特点及制备条件.我国研究人员围绕飞机发动机涡轮叶片和火箭发动机燃烧室及尾气喷管用铌合金的防护进行了大量研究工作,研制的高温抗氧化涂层已经用于49kN推力发动机铌合围裙和姿态控制铌合金喷管.通过研究认为,PVD和传统熔烧工艺相结合的新工艺及纳米涂层技术是今后铌合金表面高温涂层制备的研究方向.     

新型铌合金研究进展

高强铌合金具有比重小、强度高、韧性好、易焊接等优点,是制造高性能航空航天飞行器高温部件的重要材料,研究者通过碳化物强化、高温固溶淬火、大变形挤压、时效和热机械处理等方法研制出系列高强铌合金。航空航天高温结构件减重是研究新型铌合金的一个重要方向,选用密度为6～7．2g／cm^3的系列低密度铌合金,无涂层可在700℃以下工作,加涂层可在1200℃以下工作。铌硅复合材料有望成为在1350℃以上工作的航空发动机叶片材料,研究者通过前期研究筛选出多元Nb-Si-Ti-Al-Cr-X合金作为满足高温应用要求的新型铌合金的研究方向,揭示了铸态显微结构、热处理和热变形（热压、挤压、锻造）条件和机械性能,还研究了Al,Mo,B等合金元素对Nb-Si-Cr系合金抗氧化性能的影响。     

新型铌合金研究进展

高强铌合金具有比重小、强度高、韧性好、易焊接等优点,是制造高性能航空航天飞行器高温部件的重要材料,研究者通过碳化物强化、高温固溶淬火、大变形挤压、时效和热机械处理等方法研制出系列高强铌合金。航空航天高温结构件减重是研究新型铌合金的一个重要方向,选用密度为6~7.2 g/cm3的系列低密度铌合金,无涂层可在700℃以下工作,加涂层可在1 200℃以下工作。铌硅复合材料有望成为在1 350℃以上工作的航空发动机叶片材料,研究者通过前期研究筛选出多元Nb-Si-Ti-Al-Cr-X合金作为满足高温应用要求的新型铌合金的研究方向,揭示了铸态显微结构、热处理和热变形(热压、挤压、锻造)条件和机械性能,还研究了Al,Mo,B等合金元素对Nb-Si-Cr系合金抗氧化性能的影响。     

高铌TiAl高温合金的研究现状与展望

高铌TiAl高温合金是一种具有发展前途的新一代高温结构材料,合金化元素铌的添加能够显著提高γ-TiAl合金的工程应用.文章首先综述了高铌TiAl合金的性能特点和应用前景,并简单介绍了该合金的最新基础研究情况,随后介绍了制备高铌TiAl合金的基本工艺.最后论述了国内外高铌TiAl高温合金的发展历史和趋势.     

铌

铌铁、金属铌 2006年的供求 需求 2006年世界铌铁的总需求量以铌计算为73000t，比2005年（66000t）增长10％左右。以低合金高强力钢、Ⅲ钢及不锈钢为代表的钢铁用铌约占90％以上。余下部分为金属铌、高纯五氧化二铌及真空级铌合金的形式使用。钢铁用铌铁的全世界消费正在显著的大幅度增长。     

铌合金高温热防护及其抗氧化硅化物涂层

铌及其合金具有熔点高、密度适中、易焊接、高温强度和可加工性能良好等特点,被认为是理想的应用在1200～1500℃高温结构热端部件的候选材料,但其较弱的抗氧化性能是工程化应用的瓶颈。综述了铌及其合金的高温氧化特点和热防护方法,指出涂层方法是铌及其合金走向工程化应用的关键。介绍了近年来应用于铌及其合金表面的抗氧化涂层体系,其中硅化物涂层热防护体系因其表面能形成分布均匀、组织稳定且热扩散速率低的硅酸盐玻璃而抗氧化性能优异。总结了硅化物涂层的主要制备方法和组织特点,并对所得涂层的抗氧化性能进行了分析对比,指出抗氧化硅化物涂层的制备技术复合化是未来发展的方向。抑制硅化物涂层与铌及其合金基体的反应互扩散,进一步提高抗氧化硅化物涂层的使用温度,增加涂层的隔热性能、降低涂层的热发射率是未来亟待解决的问题。     

铌

一．铌铁、金属铁 需求2004年世界铌的总需求以纯铌计为30000t，比上年（27000t）增长10％。其中在以低合金高强度钢、IF钢及不锈钢为代表的钢铁用途方面，以铌铁形式使用的铌同以前一样占90％，剩下的以金属铌、高纯五氧化二铌、真空级铌合金（真空级铌铁、铌丝）的形式分别用于超导材料、溅射靶材料、光原透镜及超耐热合金等。以钢铁生产量急剧增加的中国为首，铌在钢铁方面的需求在增长，估计消费量达到43000t。     

合金化对铌-硅基超高温合金组织和性能影响的研究进展

综述了合金化元素对铌-硅基超高温合金组成相、相结构以及组织形貌的影响规律,并讨论了合金化元素在相形成方面的作用机理;总结了几个重要合金化元素对铌-硅基合金高温抗氧化性能和力学性能的影响规律;最后介绍了相图计算在铌-硅基合金成分设计和组织分析方面的应用.     

铌基合金抗高温氧化研究进展

铌基合金由于其高熔点、低密度和优良的综合机械性能而可能成为替代镍基单晶高温合金的首选材料,但抗高温氧化性能差是制约其应用的关键问题.从合金化、晶粒细化和高温涂层3个方面综述了铌基合金抗高温氧化的防护,并分析了研究中面临的问题.     

Nb-TiAl 金属间化合物研究现状

论述了Ｎｂ－ＴｉＡｌ系金属间化合物在高温强度及抗氧化性方面已取得的进展。高熔点组元Ｎｂ提高了合金的熔点和有序温度,从而使合金的使用温度达到９００℃以上。该体系合金显示出来的潜力具有代替Ｎｉ基合金的趋势。     

Fe-Ni基合金设计中前过渡族元素对结构与性能的影响EI北大核心CSCD

铁镍(Fe-Ni)基合金具有优异的高温强度、良好的强韧匹配以及耐腐蚀、抗氧化等特性,在核能、航空、航天领域应用广泛。然而,随着现代工业的飞速发展,材料的服役环境愈发苛刻,传统Fe-Ni基合金无法满足未来重大工程的应用需求。添加合金化元素是优化Fe-Ni基合金使役性能的重要手段,已成为当下的研究热点之一。本文综述了前过渡族元素添加对Fe-Ni合金相结构及性能的影响。基于相图、相变的热力学基础理论,重点讨论前过渡族元素(RE,Ti,V,Cr,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W等)添加对合金物相结构的影响,论述Fe-Ni基合金成分-结构-服役性能的关系,指出当前元素改性Fe-Ni基合金的研究工作偏向于多元合金协同作用于Fe-Ni基合金,缺乏添加单一元素的研究与相应的热、动力学的数据支撑。提出在明确单一元素添加对Fe-Ni基合金结构及性能作用规律的基础上,探索不同元素的作用机理,建立相应的热、动力学数据库,优化合金在氧化过程中的模拟与计算的解决方法。     

放电等离子烧结制备Nb-Si-Ti-Al-Hf-Cr合金的显微组织及力学性能

以预合金化的粉末尺寸D50为3.3μm的NbSS固溶体相细粉末,粉末尺寸D50分别为22.1μm和23.5μm的Nb5Si3和Cr2Nb化合物粉末为原料,采用放电等离子烧结技术制备NbSS/Nb5Si3两相合金和NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金,研究显微组织形貌、室温和高温力学性能及高温氧化性能。结果表明:两相合金的显微组织由NbSS基体和呈均匀岛状分布的Nb5Si3组成,三相合金中NbSS有相互连接成基体的趋势,而Nb5Si3和Cr2Nb相也以块状散布在NbSS中。NbSS/Nb5Si3两相合金和NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金的室温断裂韧性值KQ分别达到15.1MPa·m1/2和11.3MPa·m1/2,室温下合金中NbSS相以韧窝型断裂为主,对Nb-Si基合金的室温断裂韧性有利,而Nb5Si3和Cr2Nb相为脆性断裂。1250℃时NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb合金的压缩强度高于NbSS/Nb5Si3合金,但当温度上升到1350℃时两者强度出现反转。Cr2Nb相对合金高温抗氧化性能有利,1250℃下静态氧化100h时NbSS/Nb5Si3合金的氧化增重为233mg/cm2,大于NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb合金的175mg/cm2。     

Nb-Si基合金高温抗氧化研究进展

Nb-Si基合金具有适中的密度和超高的使用温度,是下一代发动机叶片及高温热端部件的有力竞争者之一,但Nb-Si基合金的高温抗氧化性能不足限制了其应用。主要综述了合金化和硅化物涂层在Nb-Si基合金中的研究进展。在此基础上着重综述了掺杂不同合金元素对Nb-Si基合金中硅化物、抗氧化相和氧化膜的影响,包括提升硅化物相高温氧化能力、促进Al2O3和Cr2Nb形成以阻碍氧原子扩散、通过稀土元素形成黏附性特别高的氧化物以防止氧化层脱落等方面。除此之外,综述了硅化物涂层(MoSi2和NbSi2)的研究进展,包括可通过降低硼硅酸盐的黏度和致密的SiO2薄膜提高Nb-Si基合金的抗氧化性能,并介绍了元素改性硅化物涂层提升SiO2流动性的效果。最后,对该方向的研究进展进行了总结,并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。     

高温应用钼及钼合金表面改性研究进展

钼及钼合金因具有高熔点、高硬度、力学性能优异等优点,被广泛应用于军工、航空和航天等领域。但钼及钼合金在高温使用时存在抗氧化、抗烧蚀和耐磨损性能较差等缺陷,严重影响了钼及钼合金的高温使用性能。研究发现,通过表面改性能有效解决上述问题。首先提出了高温应用钼及钼合金表面改性涂层需满足的基本要求,系统地综述了改性涂层在改善高温应用钼及钼合金抗氧化、抗烧蚀和耐磨损性能方面的研究进展,介绍了常见改性涂层的制备方法,并指出了目前该研究领域存在的问题及今后的发展方向。     

多主元难熔高熵合金的研究进展

近年来,高熵合金(HEAs)因其新颖的设计理念和优异的综合力学性能成为了新材料领域的研究热点之一。作为HEAs一个重要分支的难熔高熵合金(RHEAs)由于将高熔点难熔元素作为主要合金成分而具有优异的高温抗软化性能。难熔高熵合金在高温下具有良好的相稳定性,有望成为新型高温结构材料。相比于传统的高温合金,难熔高熵合金的成分范围更广,密度区间更大,抗氧化性也更好。在过去的十余年中,难熔高熵合金的研究已经取得了很大进展。许多合金和合金体系都已经进行了广泛的测试和表征,包括力学性能和氧化行为等方面,有关固溶强化、变形机制和氧化行为的新模型也正在出现并不断完善。计算机构建模型和模拟计算也逐渐应用于难熔高熵合金的研究,促进了难熔高熵合金的开发和发展。主要介绍了难熔高熵合金的成分设计,对比分析了其制备工艺和相组成,并讨论了其室温和高温时的力学性能及高温抗氧化性。最后总结了难熔高熵合金研究目前存在的问题和瓶颈,并对未来研究方向提出了建议。     

Correlation of alloy microstructure with oxidation behavior in chromia-forming intermetallic-reinforced Cr alloys

Abstract

The oxidation behavior of the Cr(X) solid solution and intermetallic Cr₂X Laves phases (X = Nb, Ta) was studied individually and in combination at 1,100°C in humid air. The two-phase Cr(Ta) + Cr₂Ta alloys exhibited superior oxidation resistance to either the single-phase Cr(Ta) or the single-phase Cr₂Ta alloys. However, the two-phase Cr(Nb) + Cr₂Nb alloys exhibited lower oxidation resistance than either the single-phase Cr(Nb) or Cr₂Nb alloys. The two-phase Cr(Ta) + Cr₂Ta alloys were also found to exhibit superior oxidation resistance to the two-phase Cr(Nb) + Cr₂Nb alloys. This was hypothesized to be related to the lower amount of the Cr₂X phase in the Cr(Ta)–Cr₂Ta eutectic and to the lower solubility of Ta in the Cr(X) phase, relative to the Cr–Nb system. Both of these factors resulted in significantly less oxidation and nitridation in the Cr(Ta) + Cr₂Ta alloys.     

Ceramic-ceramic. composites II

The growth mechanisms of the oxide scales of Ti-50Al and Ti-45Al-8Nb (at%) alloys at 900°C in air were investigated. The results revealed that the oxidation of γ-TiAl alloys during experiments was divided into four stages. The Ti-50Al alloy showed severe spallation after 3 h of oxidation. Nb addition to γ-TiAl alloys could improve the oxidation resistance effectively. The oxide scale growth was much slower and every oxide layer was more chemically uniform and homogeneous with Nb addition. The Ti-45Al-8Nb alloy showed no spallation even after 100 h of oxidation.     

Fabrication of Ni-Based Superalloys Containing Nb and Their High Temperature Oxidation Behaviors

Ni-based superalloys with different contents of Nb addition were fabricated by vacuum melting and casting. High temperature oxidation behaviors of the designed alloys were investigated by thermogravimetry. Microstructure and phase constituent of the oxidation scales were studied using scanning electron microscope and X-ray diffraction (XRD), respectively. Results showed that irrespective of the composition, all specimens obeyed the parabolic law during different stages. The scales on specimens B and C with 2.0 wt.% and 2.5 wt.% Nb addition, respectively, were mainly comprised of Cr₂O₃ and NiCr₂O₄. However, specimen A, with no Nb addition showed only NiO in the outer scale. The oxidation scales all exhibited a layered structure. With 2.0 wt.%Nb addition, the superalloy's high temperature oxidation resistance was enhanced by about 25%.