航空航天技术的高度发展,要求航空发动机具有更高的推重比及工作效率,这便要求发动机热端部件材料具有更高的承温能力。目前普遍采用的镍基单晶高温合金已达到其使用温度的极限,研发超越传统高温合金的新型超高温结构材料势在必行。Nb-Si基原位自生复合材料因其高熔点、低密度,优良的高温强度等特性而引起了研究者的极大关注,成为目前高温结构材料研究的热点之一。Nb-Si基原位复合材料依靠Nb基固溶体(NbSS)增加室温韧性,依靠硅化物Nb3Si和/或Nb5Si3增加高温强度,通过添加合金化元素优化其微观组织,提高材料的综合性能。近年来合金化元素对Nb-Si基原位复合材料组织、高低温力学性能及抗氧化性能的影响得到了广泛研究,结果表明W、Mo可对NbSS产生强烈的固溶强化效果,由Mo和W共同固溶强化的铸态Nb-18Si-10Ti-10Mo-15W合金在高温下仍能保持较高强度。Cr、Al可有效提高Nb-Si基原位复合材料高温抗氧化性能。Hf、Ti提高室温断裂韧性,同时还有利于提高高温抗氧化能力。
近来材料研究者开始关注Fe对Nb-Si基原位复合材料的影响。然而,Fe含量与Nb-Si基原位复合材料显微组织形貌和室温力学性能关系的研究尚不系统。现有研究采用真空非自耗电弧熔炼方法,制备了Nb-16Si-xFe(x=2,4,6)(原子分数,%)原位复合材料,研究了Fe含量和热处理对复合材料相组成、显微组织、室温强度和韧性的影响。
铸态和热处理Nb-16Si-2Fe和Nb-16Si-4Fe合金主要由NbSS、Nb3Si和Nb4FeSi三相
组成,而Nb-16Si-6Fe合金主要由NbSS和Nb4FeSi两相组成。热处理后各合金NbSS上均有硅化物颗粒析出。Nb-16Si基原位复合材料加入Fe元素后新生成的Nb4FeSi相的硬度和断裂韧性均高于Nb3Si相的相应值,是一个硬脆的硅化物相。随着合金中Fe含量的升高,NbSS相的硬度随之增大。热处理后室温KQ值随Fe含量增加呈略微下降趋势,NbSS的断裂方式主要为准解理断裂,呈现河流状花样。硅化物Nb3Si和Nb4FeSi的断裂表面光滑平整,均为典型的脆性断裂。热处理后室温强度随Fe含量的升高而增大。