1超高温铌－硅化物基复合材料

B.P. Bewlay1

, M.R. Jackson1

, P.R. Subramanian1

and J.J. Lewandowski2

1

GE Global Research, One Research Circle, Schenectady, NY 12301

2

Case Western Reserve University, 10900 Euclid Avenue, Cleveland, OH 44106

关键词：铌－硅化物，复合材料，叶片，疲劳，铸造，高温合金

摘要:本文描述了铌－硅化物基原位复合材料的近期研究进展，该复合材料将用于工作温度高

达1350℃的结构件。从商业前景来看，熔模铸造铌－硅化物复合材料近成形部件具有巨大的

潜力，因为这接近于目前的叶片生产实践。然而，用于铌－硅化物复合材料叶片的熔模铸造

技术还没有得到充分发展。而且，对于铌－硅化物复合材料成分、工艺、性能之间的关系还

认识有限。采用合金化方法以得到室温韧性、疲劳裂纹扩展行为、高温蠕变性能和较宽温度

范围内的抗氧化性能之间优异的综合性能平衡。

本文重点描述了铌－硅化物基复合材料工艺、组织和性能。

1 引言

过去50年里，高温材料性能的改善促进了航空发动机和地面燃气涡轮性能的提高[1]。随

着镍基高温合金的发展，先进涡轮发动机叶片的工作温度高达1150℃左右。然而，镍基高温

合金承温能力要在第三代单晶合金（3GSX）的基础上进一步提高将非常困难，因为大多数先

进高温合金在1350℃左右就熔化了。先进涡轮发动机需要能在目前温度限制之上工作的材料。

叶片材料承温能力需要提高有几个原因，如延长寿命和提高燃烧温度。航空涡轮或地面涡轮

有一系列关键性能要求，包括燃油效率、推力、重量和可靠性。铌－硅化物基复合材料用作

高温材料的潜力大约在10年前第一次被认识到[1-7]。铌－硅化物基复合材料最早由于其高温

强度和低温损伤容限的良好平衡而显示出诱人的应用前景。铌－硅化物基体系材料较低的密

度（~7g/cm[7-12]）也是其相对于镍基高温合金的主要优点之一。氧化和蠕变性能是铌－硅化

物基复合材料最需要改善的地方。之前在改善单相Nb合金氧化性能上取得的进展表明可用合

金化来改善铌－硅化物基复合材料的氧化行为。因此，在一系列铌－硅化物复合材料中研究

了合金化元素对平衡力学性能和氧化性能的作用，本文将对这些进展的一些重要方面进行描

述。已经有了几个关于铌－硅化物复合材料近期发展的广泛回顾[1, 3, 4, 12]，还有一些关于相

平衡、力学性能和氧化行为的技术文章[13-17]。铌－硅化物复合材料包括Nb

3Si、和/或Nb

5Si

3、

和Nb基固溶体相，硅化物的体积分数在0.35到0.6之间。这些铌－硅化物基原位复合材料是

以Nb－Si二元相图的富Nb端为基础的，合金中含有12％～15％的Si（本文给出的所有成分

未经说明都是摩尔分数）。一些合金利用少量（体积分数<0.15）的NbCr

2基Laves相来改善抗 2氧化性能[1-4]。一种简单的铌－硅化物复合材料（Nb-15Ti-16Si）的显微组织如图1所示。

图1：一种定向铌－硅化物复合材料的纵向显微组织（扫描电镜背散射电子相），该复合

材料成分为Nb-15Ti-16Si，由(Nb)和(Nb)

3Si相组成。

该复合材料由(Nb)和Nb

3Si相组成，其中Nb

3Si相的体积分数约为0.4[1,3]。固溶有Ti的

Nb

3Si一般称为(Nb)

3Si。Nb硅化物可以三种不同的晶体形式存在：(Nb)

3Si – (tP32)，(Nb)

5Si

3 –

(tI32)，(Nb)

5Si

3 – (hP16)。早期的铌－硅化物基复合材料MASC做了全套性能描述，其成分为

Nb-25Ti-8Hf-2Cr-2Al-16Si [10]。目前，对成分、工艺、性能之间关系的理解还很有限，但以

前的合金化尝试表明某些成分可以优化性能包括抗氧化性能、韧性和蠕变性能 [1, 3-7, 12]。

GE公司最近发展了一些成分的合金，在本文中这些合金被命名为铌－硅化物A、B [16, 17]、

C [1,16]和D [18]。铌－硅化物A的成分为Nb-25Ti-8Hf-16Si。铌－硅化物B、C和D的成分

都在参考专利 [17]中所描述的范围内。

铌－硅化物基复合材料可以采用一系列工艺来生产制造，比如非自耗电弧熔炼、等离子

电弧熔炼、感应凝壳熔炼、锭坯铸造＋热机械加工 [4, 11, 13, 15]、定向凝固（DS）[1, 3]、熔

模铸造 [7]和粉末冶金 [1, 3]。从商业角度来看，熔模铸造铌－硅化物复合材料近净成形部件

具有巨大的潜力，因为这接近于目前的复杂叶片生产实践。然而，用于铌－硅化物复合材料

叶片的熔模铸造技术还没有得到充分发展。另外，熔融Nb合金的活性限制了陶瓷基熔炼系统

的应用。近来，铌－硅化物复合材料的熔模铸造取得突破 [5]。典型的模型叶片如图2所示。

本文的目的就是要阐述近期铌－硅化物复合材料发展最重要的特点。在接下来的部分中

对力学性能和抗氧化性能包括涂层行为进行了描述。

3

图2：典型铌－硅化物复合材料模型叶片，采用熔模铸造法制造；叶片长约150mm。

2力学性能

2.1断裂和疲劳性能

关于以二元Nb-Si和多元系统为基础的铌－硅化物基复合材料的断裂和疲劳性能已经做

了大量的基础研究 [19-25]。图3给出铌－硅化物C典型的室温断裂韧性测量值和断裂阻力或

R曲线。

图3：定向铌－硅化物基复合材料典型R曲线(对于该样品，R曲线表明其韧性起始为23MPa

m1/2

，峰值约为35MPa m1/2

)

R曲线表明起始韧性为23MPa m1/2

，峰值韧性约为35MPa m1/2

。对于不同的铌－硅化物C 4样品，起始韧性值在15～28 MPa m1/2

的范围内变化。在其它铌－硅化物体系[12-16]和以其它

方法如熔模铸造和挤压法制备的类似复合材料中也报道了相似的韧性水平，对于金属间化合

物基体系而言，这是非常高的韧性水平。通常在铌－硅化物基复合材料中观察到R曲线行为

[3]。还在更高应变速率下对韧性进行了测定，结果表明峰值韧性对加载速率的敏感性很小

[19]。这和多晶Nb的行为是一致的，已经在很宽的温度和加载速率范围内测试了多晶Nb的

韧性 [19, 23-26]。室温疲劳试验表明铌－硅化物C的△K门槛值为7～11 MPa m1/2

，帕里斯定

律斜度为7～12。如图4所示，疲劳试验表明△K值在9～20 MPa m1/2

范围内，同时R值为

0.1。

图4：三种铌－硅化物复合材料的疲劳数据(铌－硅化物 C（空心方块），MASC（实心方块）

以及Nb-10Si复合材料（实心三角）。同时还给出了一系列单相Nb合金（纯Nb、Nb-1Si、Nb-1Zr）

（实心菱形）的疲劳数据 [23-26]。为作比较，Mo-Si-B合金的文献数据也包括其中[19，20]

对于这些特殊的疲劳试验，其帕里斯定律斜率在7－12之间。而典型的叶片用镍基高温

合金的帕里斯定律斜率大约是5。图4比较了铌－硅化物 C和单相铌固溶体[23-26]，MASC

复合材料以及Nb-10Si铌－硅化物原位复合材料[19]的疲劳数据。结果表明铌－硅化物基复合

材料的疲劳行为几乎都是金属型的，其帕里斯定律斜率仅略高于单相铌固溶体。图4中还包

括了Mo-Si-B合金的文献数据[19，20] 以作比较。

3拉伸和压缩行为

图5给出了一些铌－硅化物基复合材料从室温到1350℃（2640F）时的强度。典型第二代

单晶镍基高温合金的拉伸强度也示于其中。早期Cr含量约为2％的铌－硅化物基复合材料的

室温拉伸强度为830MPa左右[10]。近来铌－硅化物 C的压缩强度在室温时高达1700MPa左 5右，1200℃时为520MPa，1350℃时为310MPa。铌－硅化物 C 1700MPa左右的压缩强度从室

温到800℃几乎保持不变。1200℃时，铌－硅化物 C的压缩强度比一种典型第二代单晶镍基

高温合金拉伸强度高两倍多。近期的一些铌－硅化物复合材料具有较高的室温压缩强度，但

拉伸强度较低。孔洞和缺陷将导致最大拉伸强度的降低。通过新工艺（包括粉末冶金）来细

化硅化物相，从而减小缺陷尺寸，提高拉伸强度，同时保持足够的蠕变性能。

图5：铌－硅化物基复合材料从室温到1350℃（2640F）时强度与温度的关系。定向铌－硅化

物基复合材料同时给出了压缩和拉伸强度;典型第二代单晶镍基高温合金的拉伸强度也示

于其中

采用高温挤压来检验显微组织大小对高Cr合金[1]拉伸性能的影响。测试了铸态合金从室

温到1200℃的压缩性能、拉伸性能以及韧性，而对挤压合金则测定了从室温到1100℃的性能

[1]。压缩屈服强度在室温和800℃时都很高（分别为1500－1600MPa和1500MPa左右），1000

℃时下降至500－600MPa。这些复合材料的典型塑性值约为室温压缩塑性的3％，800℃以上

则高于3％。这些材料在1000℃以上存在脆－韧转变，这依赖于宏观塑性测量。

4蠕变性能

图6显示了定向铌－硅化物 C的拉伸蠕变应力（图6a）和比（密度归一化）蠕变应力（图

6b）与通过断裂时间表示的Larson－Miller参数的关系。典型二代、三代单晶镍基高温合金的

数据也示于其中。在应力高达100MPa的情况下，铌－硅化物 C的性能与二代单晶镍基高温 6合金相似。低应力下，铌－硅化物 C复合材料的比蠕变性能优于高温合金，而高应力下则比

高温合金稍差一些。当用达到1％变形量的时间而不是断裂时间来表示Larson－Miller参数

（o

R，h和K，h）时也得到相似的比较结果[3]。

图6：铌－硅化物 C复合材料的蠕变应力（a）和比蠕变应力（图6b）与Larson－Miller参数

的关系。典型二代（2GSX）、三代（3GSX）单晶镍基高温合金的数据也示于其中。就蠕变应

力而言，在应力高达100MPa的情况下，铌－硅化物 C的性能与二代单晶镍基高温合金相似。