2024年4月23日发(作者：仁锦曦)
Nb－Si
基超高温合金的研究进展
郑
文摘
蕾贾丽娜张虎徐惠彬
（
北京航空航天大学
，
北京
100191）
Nb－Si
基超高温合金由于熔点高
、
密度低和优良的高温强度等特点受到广泛关注
，
极具作为下
粉一代高推重比航空发动机和超然冲压发动机的热端部件用材料的潜力
。
本文主要介绍了国内外在合金化
、
末冶金
、
定向凝固和热处理工艺对
Nb－Si
基合金组织和性能影响等方面的研究现状
，
并展望了其发展趋势
。
Si，
关键词
Nb-
超高温合金
，
力学性能
，
热处理
ProgressinNb-SiIntermetallicsBasedUltra-HighTemperatureAlloys
ZhengLeiJiaLinaZhangHuXuHuibin
(BeihangUniversity，Beijing100191)
AbstractNiobium-silicideintermetallicsbaseultra-hightemperaturealloys，haveshowngreatpotentialforser-
vingatthehotsectiononthenextgenerationaero-enginesandscramjetengines．Duetotheirhighmeltingtempera-
lowdensitiesandexcellenthigh-temperaturestrengths，Inthepresentpaper，wediscusstheeffectsofdirection-tures，
alsolidificationandheattreatmentmicrostructuresandpropertiesofthealloying，powdermetallurgy．Thefuturedevel-
opmenttrendsarealsodiscussed．
Keywords
0
引言
随着高性能航空航天飞行器的发展
，
高性能航空
发动机和超然冲压发动机的热端部件工作温度不断
提高
，
已经超过镍基高温合金的极限温度
，
迫切需要
［1－3］
。
寻求新型的超高温材料以替代
Ni
基高温合金
1985
年
，
美国空军实验室制定了综合高性能涡轮技
Niobium-silicide，Ultra-hightemperaturealloys，Mechanicalproperties，Heattreatment
合金制备过程中的关键问题
。
由于
Nb－Si
基合金的
熔点超过
1800℃，
并含有大量
Ti
和
Hf
等高活性元
素
，
导致该类合金材料制备困难
，
真空电弧熔炼是目
但是合金锭不前制备
Nb－Si
母合金锭的常用手段
，
同部位的组织形貌和性能差别较大
［4－5］
，
组织不均匀
不可控
，
大量存在的缩孔缩松也会明显影响合金的性
能
。
以至于到目前为止
，
成分
－
组织
－
性能之间的关
系还不清楚
，
阻碍了合金的发展和应用
。
因此
，
明确
成分
－
组织
－
性能之间的关系
、
了解凝固过程中组成
相的形成机理
、
实现
Nb－Si
基超高温合金组织控制
成为了
Nb－Si
基超高温合金亟待解决的重要问题
。
本文主要介绍了国内外在
Nb－Si
基超高温合金
的研发以及合金化和制备工艺对组织和性能的影响
的研究现状
，
并提出了该合金需要解决的问题和发展
趋势
。
1Nb－Si
基超高温合金的研发
目前
Nb－Si
金属间化合物
（
简称
Nb
硅化物
）
基
合金的研究已有近
20
年的历史
，
研究的重点主要集
中在合金化和制备工艺
。
主要的合金化元素为
Ti、
提出开发可在
1400℃
使用的材术计划
（IHPTET），
［4－5］
。
在过去的
料
，
使发动机的推重比达到
15～20
20
多年中
，
难熔金属硅化物以其高熔点
、
低密度和优
良的高温性能等特点受到了越来越广泛的关注
。
其
Nb－Si
基合金
（
密度约为
6．6～7．2g/cm，
中
，
断裂
·m），
韧性可超过
20MPa
最有潜力作为发动机叶片
用材料
［6－9］
1/2
3
。
Nb－Si
基超高温合金通过加入韧性固溶体相
（Nb
SS
），
形成
Nb
SS
/Nb
5
Si
3
双相复合材料
，
在保持优良
。
目前有关
改善其室温韧性高温强度的同时
，
Nb－Si
基合金的研究主要集中在合金化元素和制备
方法对
Nb/Nb
5
Si
3
双相合金组织和性能的影
响
［15－18］
［10－14］
，
而如何优化和控制两相的组织特征就成为
收稿日期
：2013－01－18；
修回日期
：2013－04－07
1979
年出生
，
作者简介
：
郑蕾
，
博士
，
助理研究员
，
主要从事高性能金属材料研究工作
。E－mail：zhenglei@buaa．edu．cn
—12—
宇航材料工艺
http：
∥
www．yhclgy．com2013
年第
3
期
Al、Cr、Hf、Zr、Mo、V、Ta、Sn、B
以及
Ho
和
Dy
等稀土
［19－27］
。Nb－Si
基超高温合金的制备方法和热
元素
粉末冶金
、
定加工工艺有真空非自耗
/
自耗电弧熔炼
、
向凝固
、
物理气相沉积
、
热等静压
、
热挤压和烧结
－
锻
造等
［28－37］
基模壳中
，
氧化铝基模壳采用传统挂浆技术制备
，
表
面有涂层
，
用于减小合金与模壳的反应程度
。
2
合金化对
Nb－Si
基合金组织和性能的影响
合金化是使金属间化合物增韧的一种有效手段
，
也是难熔金属的主要强化方法
。
通过合金化
，
可以改
弹性模量
、
形成空位
、
引起晶格畸变
、
改变电子浓度
、
以致改变其位错组态
、
变形方式
，
改善变堆垛层错能
，
［38－39］
。20
多年来
，Al、
合金性能
人们重点研究了
Ti、
Cr、Hf、Zr、Mo、V、Ta、Sn、B
以及
Ho
和
Dy
等稀土元素
。
［1，6］
，
国内外有关
Nb－Si
多元合金的报道中综
合性能最优异的是
GE
公司通过
Czochralski
定向凝
固法制备的
Nb－24．7Ti－16Si－8．2Hf－2．0Cr－1．
9Al（MASC）
合金
。MASC
合金的组织是由
Nb
SS
、Nb
3
Si
板条以及少量
Nb
5
Si
3
组成
，
组成相沿生长方向并列
Nb
SS
枝晶包括其其中
Nb
SS
的体积分数为
54%，
分布
，
二次枝晶臂的平均尺寸为
24
μ
m。MASC
的断裂韧
1/2
性
K
IC
约为
19～22MPa·m，
抗拉强度约为
820
1200℃
的抗拉强度为
370MPa，MASC
的疲劳行
MPa，
对
Nb－Si
合金组织性能的影响
2．1
合金化对相组成的影响
［19－27］
。
Nb－Si
基合金的相组成在二元
Nb－Si
合金中
，
主要由
Nb
和硅化物组成
，
其中硅化物可能为
Nb
5
Si
3
或
Nb
3
Si，
也可能是二者均有
。
硅化物
Nb
5
Si
3
常见的
Cr
5
Si
3
型
，a
是四方结构的晶体结构
：
α
－Nb
5
Si
3
（D8
1
，
=0．656nm，c=1．187nm）
为低温稳定相
，
β
－Nb
5
Si
3
（D8
m
，W
5
Si
3
型
，a=1．000nm，c=0．507nm）
为高温
稳定相
。
在近几年逐渐出现了有关密排六方结构的
b=0．5248nm）
的报
γ
－Nb
5
Si
3
（a=0．7536nm，
道
［40－42］
为在低应力条件下与
CMSX10
合金类似
，
在高应力条
件下与
CMSX4
合金类似
。
由于
MASC
合金的密度较
所以其比强度较高
。
虽然
MASC
合金具有以上优低
，
良的性能
，
但是在室温下其延性仍然非常低
。D．M．
Dimiduk
报道
［4］
挤压
+
热处理制备的
Nb－10Si
合金
的抗拉强度可达
800MPa
左右
，
可是其延性低于
0．
6］
5%。Bewlay
等
［1，
建立了短期和长期循环氧化抗力
。
目标
，
短期目标是
1370℃
在试验台暴露
10h
氧化损
失小于
200
μ
m（
试验用
）；
长期目标是
1315℃/100h
氧化损失小于
25
μ
m（
服役用
）。
这些氧化性能的目
标是要使
Nb－Si
基合金在
1315℃
获得与目前二代
单晶合金在
1150℃
相同的氧化寿命
。
虽然通过在
Nb－Si
基合金表面制备高温抗氧化涂层后短期目标
可以实现
，
但是长期目标仍然具有挑战性
。
因此
，
现
在还未能成功研制出一种
Nb－Si
基超高温结构材料
可以满足涡轮发动机叶片用材
。
美国
GE
公司
［37］
硅化物
Nb
5
Si
3
的晶体结构与合金化元素有密切
关系
。
添加
Mo
或
W
之后
，
凝固时通过共晶反应直接
生成
Nb
SS
和β
－Nb
5
Si
3
，
而不是
Nb
SS
和α
－Nb
5
Si
3
。
对于
Nb－W－Si
和
Nb－Mo－Si
系合金
，
该反应在很
宽的
Mo
或
W
的含量范围内都存在
。
研究发现添加
Mo
或
W
可以形成很强的
—Si—Mo—Si—
或
—Si—
［43－45］
W—Si—
键
，。Al
元素也有从而稳定β
－Nb
5
Si
3
［41］
利于β
－Nb
5
Si
3
的形成
。
添加大量的
Ti
和
Hf
易
此外一些杂质元素也将使硅化物于产生γ
－Nb
5
Si
3
，
［41，46］
。
当合金中
Cr
元素的含量大
转变成γ
－Nb
5
Si
3
于
5at%
时
，
有利于
Cr
2
Nb
的产生
，
该相的生成有利于
综合运用电弧熔炼和滴铸技术
（dropcasting）
制备出
Nb
硅化物的近终型叶片模拟
件
（
图
1）。
。
表
1
列出了合金元素对合
［40－46］
。
金相组成的影响情况
高温抗氧化性的提高
表
1
Tab．1
Phase
β
－Nb
5
Si
3
γ
－Nb
5
Si
3
Nb
3
Si
Cr
2
Nb
［21］
合金化元素对硅化物的影响
［40－46］
Effectsofalloyingelementsonthesilicide
Effectofalloyingelementontheconstituentphase
Mo，W，Al
HighTiandHforsmallamountsofinterstitialimpurities
LowerCr+Al，higherTicontents
Crcontenthigherthan5at%
2．2
图
1
Fig．1
滴铸法制备叶片模拟件
［37］
合金化对力学性能的影响
Investment-castNbsilicidecompositeprototypeairfoils
合金化元素的种类和含量都会影响到合金化的
效果
。
从提高材料的韧性及延性考虑
，
有利元素为
Ti、Hf、Zr
和
B
等
，Al、Mo、W
及
Re。
不利元素为
Cr、
W、V
和
C
等
，
对合金高温性能有好处的是
Mo、
而
Ti、
—13—
叶片模拟件的全长约为
150mm。
在该项技术
中
，
先用传统电弧熔炼将合金熔化
，
然后滴铸到陶瓷
宇航材料工艺
http：
∥
www．yhclgy．com2013
年第
3
期
2024年4月23日发(作者：仁锦曦)
Nb－Si
基超高温合金的研究进展
郑
文摘
蕾贾丽娜张虎徐惠彬
（
北京航空航天大学
，
北京
100191）
Nb－Si
基超高温合金由于熔点高
、
密度低和优良的高温强度等特点受到广泛关注
，
极具作为下
粉一代高推重比航空发动机和超然冲压发动机的热端部件用材料的潜力
。
本文主要介绍了国内外在合金化
、
末冶金
、
定向凝固和热处理工艺对
Nb－Si
基合金组织和性能影响等方面的研究现状
，
并展望了其发展趋势
。
Si，
关键词
Nb-
超高温合金
，
力学性能
，
热处理
ProgressinNb-SiIntermetallicsBasedUltra-HighTemperatureAlloys
ZhengLeiJiaLinaZhangHuXuHuibin
(BeihangUniversity，Beijing100191)
AbstractNiobium-silicideintermetallicsbaseultra-hightemperaturealloys，haveshowngreatpotentialforser-
vingatthehotsectiononthenextgenerationaero-enginesandscramjetengines．Duetotheirhighmeltingtempera-
lowdensitiesandexcellenthigh-temperaturestrengths，Inthepresentpaper，wediscusstheeffectsofdirection-tures，
alsolidificationandheattreatmentmicrostructuresandpropertiesofthealloying，powdermetallurgy．Thefuturedevel-
opmenttrendsarealsodiscussed．
Keywords
0
引言
随着高性能航空航天飞行器的发展
，
高性能航空
发动机和超然冲压发动机的热端部件工作温度不断
提高
，
已经超过镍基高温合金的极限温度
，
迫切需要
［1－3］
。
寻求新型的超高温材料以替代
Ni
基高温合金
1985
年
，
美国空军实验室制定了综合高性能涡轮技
Niobium-silicide，Ultra-hightemperaturealloys，Mechanicalproperties，Heattreatment
合金制备过程中的关键问题
。
由于
Nb－Si
基合金的
熔点超过
1800℃，
并含有大量
Ti
和
Hf
等高活性元
素
，
导致该类合金材料制备困难
，
真空电弧熔炼是目
但是合金锭不前制备
Nb－Si
母合金锭的常用手段
，
同部位的组织形貌和性能差别较大
［4－5］
，
组织不均匀
不可控
，
大量存在的缩孔缩松也会明显影响合金的性
能
。
以至于到目前为止
，
成分
－
组织
－
性能之间的关
系还不清楚
，
阻碍了合金的发展和应用
。
因此
，
明确
成分
－
组织
－
性能之间的关系
、
了解凝固过程中组成
相的形成机理
、
实现
Nb－Si
基超高温合金组织控制
成为了
Nb－Si
基超高温合金亟待解决的重要问题
。
本文主要介绍了国内外在
Nb－Si
基超高温合金
的研发以及合金化和制备工艺对组织和性能的影响
的研究现状
，
并提出了该合金需要解决的问题和发展
趋势
。
1Nb－Si
基超高温合金的研发
目前
Nb－Si
金属间化合物
（
简称
Nb
硅化物
）
基
合金的研究已有近
20
年的历史
，
研究的重点主要集
中在合金化和制备工艺
。
主要的合金化元素为
Ti、
提出开发可在
1400℃
使用的材术计划
（IHPTET），
［4－5］
。
在过去的
料
，
使发动机的推重比达到
15～20
20
多年中
，
难熔金属硅化物以其高熔点
、
低密度和优
良的高温性能等特点受到了越来越广泛的关注
。
其
Nb－Si
基合金
（
密度约为
6．6～7．2g/cm，
中
，
断裂
·m），
韧性可超过
20MPa
最有潜力作为发动机叶片
用材料
［6－9］
1/2
3
。
Nb－Si
基超高温合金通过加入韧性固溶体相
（Nb
SS
），
形成
Nb
SS
/Nb
5
Si
3
双相复合材料
，
在保持优良
。
目前有关
改善其室温韧性高温强度的同时
，
Nb－Si
基合金的研究主要集中在合金化元素和制备
方法对
Nb/Nb
5
Si
3
双相合金组织和性能的影
响
［15－18］
［10－14］
，
而如何优化和控制两相的组织特征就成为
收稿日期
：2013－01－18；
修回日期
：2013－04－07
1979
年出生
，
作者简介
：
郑蕾
，
博士
，
助理研究员
，
主要从事高性能金属材料研究工作
。E－mail：zhenglei@buaa．edu．cn
—12—
宇航材料工艺
http：
∥
www．yhclgy．com2013
年第
3
期
Al、Cr、Hf、Zr、Mo、V、Ta、Sn、B
以及
Ho
和
Dy
等稀土
［19－27］
。Nb－Si
基超高温合金的制备方法和热
元素
粉末冶金
、
定加工工艺有真空非自耗
/
自耗电弧熔炼
、
向凝固
、
物理气相沉积
、
热等静压
、
热挤压和烧结
－
锻
造等
［28－37］
基模壳中
，
氧化铝基模壳采用传统挂浆技术制备
，
表
面有涂层
，
用于减小合金与模壳的反应程度
。
2
合金化对
Nb－Si
基合金组织和性能的影响
合金化是使金属间化合物增韧的一种有效手段
，
也是难熔金属的主要强化方法
。
通过合金化
，
可以改
弹性模量
、
形成空位
、
引起晶格畸变
、
改变电子浓度
、
以致改变其位错组态
、
变形方式
，
改善变堆垛层错能
，
［38－39］
。20
多年来
，Al、
合金性能
人们重点研究了
Ti、
Cr、Hf、Zr、Mo、V、Ta、Sn、B
以及
Ho
和
Dy
等稀土元素
。
［1，6］
，
国内外有关
Nb－Si
多元合金的报道中综
合性能最优异的是
GE
公司通过
Czochralski
定向凝
固法制备的
Nb－24．7Ti－16Si－8．2Hf－2．0Cr－1．
9Al（MASC）
合金
。MASC
合金的组织是由
Nb
SS
、Nb
3
Si
板条以及少量
Nb
5
Si
3
组成
，
组成相沿生长方向并列
Nb
SS
枝晶包括其其中
Nb
SS
的体积分数为
54%，
分布
，
二次枝晶臂的平均尺寸为
24
μ
m。MASC
的断裂韧
1/2
性
K
IC
约为
19～22MPa·m，
抗拉强度约为
820
1200℃
的抗拉强度为
370MPa，MASC
的疲劳行
MPa，
对
Nb－Si
合金组织性能的影响
2．1
合金化对相组成的影响
［19－27］
。
Nb－Si
基合金的相组成在二元
Nb－Si
合金中
，
主要由
Nb
和硅化物组成
，
其中硅化物可能为
Nb
5
Si
3
或
Nb
3
Si，
也可能是二者均有
。
硅化物
Nb
5
Si
3
常见的
Cr
5
Si
3
型
，a
是四方结构的晶体结构
：
α
－Nb
5
Si
3
（D8
1
，
=0．656nm，c=1．187nm）
为低温稳定相
，
β
－Nb
5
Si
3
（D8
m
，W
5
Si
3
型
，a=1．000nm，c=0．507nm）
为高温
稳定相
。
在近几年逐渐出现了有关密排六方结构的
b=0．5248nm）
的报
γ
－Nb
5
Si
3
（a=0．7536nm，
道
［40－42］
为在低应力条件下与
CMSX10
合金类似
，
在高应力条
件下与
CMSX4
合金类似
。
由于
MASC
合金的密度较
所以其比强度较高
。
虽然
MASC
合金具有以上优低
，
良的性能
，
但是在室温下其延性仍然非常低
。D．M．
Dimiduk
报道
［4］
挤压
+
热处理制备的
Nb－10Si
合金
的抗拉强度可达
800MPa
左右
，
可是其延性低于
0．
6］
5%。Bewlay
等
［1，
建立了短期和长期循环氧化抗力
。
目标
，
短期目标是
1370℃
在试验台暴露
10h
氧化损
失小于
200
μ
m（
试验用
）；
长期目标是
1315℃/100h
氧化损失小于
25
μ
m（
服役用
）。
这些氧化性能的目
标是要使
Nb－Si
基合金在
1315℃
获得与目前二代
单晶合金在
1150℃
相同的氧化寿命
。
虽然通过在
Nb－Si
基合金表面制备高温抗氧化涂层后短期目标
可以实现
，
但是长期目标仍然具有挑战性
。
因此
，
现
在还未能成功研制出一种
Nb－Si
基超高温结构材料
可以满足涡轮发动机叶片用材
。
美国
GE
公司
［37］
硅化物
Nb
5
Si
3
的晶体结构与合金化元素有密切
关系
。
添加
Mo
或
W
之后
，
凝固时通过共晶反应直接
生成
Nb
SS
和β
－Nb
5
Si
3
，
而不是
Nb
SS
和α
－Nb
5
Si
3
。
对于
Nb－W－Si
和
Nb－Mo－Si
系合金
，
该反应在很
宽的
Mo
或
W
的含量范围内都存在
。
研究发现添加
Mo
或
W
可以形成很强的
—Si—Mo—Si—
或
—Si—
［43－45］
W—Si—
键
，。Al
元素也有从而稳定β
－Nb
5
Si
3
［41］
利于β
－Nb
5
Si
3
的形成
。
添加大量的
Ti
和
Hf
易
此外一些杂质元素也将使硅化物于产生γ
－Nb
5
Si
3
，
［41，46］
。
当合金中
Cr
元素的含量大
转变成γ
－Nb
5
Si
3
于
5at%
时
，
有利于
Cr
2
Nb
的产生
，
该相的生成有利于
综合运用电弧熔炼和滴铸技术
（dropcasting）
制备出
Nb
硅化物的近终型叶片模拟
件
（
图
1）。
。
表
1
列出了合金元素对合
［40－46］
。
金相组成的影响情况
高温抗氧化性的提高
表
1
Tab．1
Phase
β
－Nb
5
Si
3
γ
－Nb
5
Si
3
Nb
3
Si
Cr
2
Nb
［21］
合金化元素对硅化物的影响
［40－46］
Effectsofalloyingelementsonthesilicide
Effectofalloyingelementontheconstituentphase
Mo，W，Al
HighTiandHforsmallamountsofinterstitialimpurities
LowerCr+Al，higherTicontents
Crcontenthigherthan5at%
2．2
图
1
Fig．1
滴铸法制备叶片模拟件
［37］
合金化对力学性能的影响
Investment-castNbsilicidecompositeprototypeairfoils
合金化元素的种类和含量都会影响到合金化的
效果
。
从提高材料的韧性及延性考虑
，
有利元素为
Ti、Hf、Zr
和
B
等
，Al、Mo、W
及
Re。
不利元素为
Cr、
W、V
和
C
等
，
对合金高温性能有好处的是
Mo、
而
Ti、
—13—
叶片模拟件的全长约为
150mm。
在该项技术
中
，
先用传统电弧熔炼将合金熔化
，
然后滴铸到陶瓷
宇航材料工艺
http：
∥
www．yhclgy．com2013
年第
3
期