【摘 要】
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为进一步提高航空航天用发动机和工业燃气轮机的使用效率,设计和开发能够承受更高工作温度的新型结构材料是目前研究的热点。其中,Mo-Si-B合金以其高的熔点,优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能成为候选材料之一。然而,该合金低的室温断裂韧性限制了它在工业领域的推广应用。α-Mo相作为Mo-Si-B合金中的唯一的韧性相,其体积分数、尺寸及分布状态显著影响着Mo-Si-B合金的断裂韧性和强度,因此,对其进行微
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为进一步提高航空航天用发动机和工业燃气轮机的使用效率,设计和开发能够承受更高工作温度的新型结构材料是目前研究的热点。其中,Mo-Si-B合金以其高的熔点,优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能成为候选材料之一。然而,该合金低的室温断裂韧性限制了它在工业领域的推广应用。α-Mo相作为Mo-Si-B合金中的唯一的韧性相,其体积分数、尺寸及分布状态显著影响着Mo-Si-B合金的断裂韧性和强度,因此,对其进行微观组织结构设计和调控将能够有效优化Mo-Si-B合金的力学性能。本文设计了具有微米/亚微米双尺度α-Mo结构的Mo-12Si-8.5B-0.57wt%Lα2O3合金,并通过调控微米尺度α-Mo晶粒的体积分数和尺寸制备了一系列具有不同α-Mo晶粒双尺度分布状态的合金。通过对所制备合金微观组织的定量表征,以及室温/高温力学、抗氧化性能的测试,系统研究了合金微观组织与性能之间的对应关系,探究了获得良好强韧性匹配的最优微观组织特征参数,揭示了合金室温/高温强韧化的微观机理。所制备的双尺度Mo-Si-B合金由α-Mo、Mo3Si和Mo5SiB2三相组成。其中,α-Mo呈微米/亚微米双尺度结构分布,Mo3Si和Mo5SiB2为亚微米尺度,纳米La2O3颗粒均匀分布在三相的晶内与晶界。当合金中微米尺度α-Mo与亚微米尺度α-Mo的体积比在0.24-0.57范围内,合金的微观组织表现为连续的双尺度α-Mo基体上弥散分布有Mo3Si和Mo5SiB2,且随着微米尺度α-Mo体积分数的增加,合金的断裂韧性逐渐增加。当合金中微米尺度α-Mo与亚微米尺度α-Mo的体积比为0.57时,随着微米尺度α-Mo晶粒的尺寸增加,合金的断裂韧性逐渐增加。当合金中微米尺度α-Mo与亚微米尺度α-Mo的体积比增加到0.71时,微米尺度α-Mo晶粒发生团聚,使得双尺度α-Mo相不再呈连续分布状态,此时合金的强度和韧性均下降。双尺度合金室温强韧化机制的定量分析结果表明,晶界强化为最主要的强化机制,裂纹捕获为最主要的韧化机制。当合金中双尺度α-Mo相呈连续且均匀分布,其中微米尺度α-Mo晶粒的尺寸增加或者体积分数增加,均能促进裂纹捕获效应而增韧合金,并且分布于微米尺度α-Mo晶内的La2O3颗粒诱发的微裂纹形成同界面脱粘以及裂纹偏转均起到额外增韧的效果,但是,合金中微米尺度α-Mo晶粒的尺寸增加或体积分数增加会降低晶界强化的贡献,导致双尺度合金的室温屈服强度下降。对具有微米/亚微米双尺度α-Mo结构的合金分别在1700℃和1800℃下进行热处理。热处理后合金中α-Mo基体转变为微米尺度的双峰分布结构,且Mo3Si/Mo5SiB2分布在连续的α-Mo基体上。随着热处理温度升高,合金中三相晶粒尺寸均增加,α-Mo相的体积分数增加,三相分布更加均匀,合金的断裂韧性显著增加,屈服强度略有降低。特别是,1800℃热处理后具有微米尺度双峰α-Mo结构的合金的断裂韧性达到15.4MPa·m1/2,相比较具有亚微米单尺度α-Mo结构的合金提高了 164%。在1200℃-1400℃压缩试验中,具有微米尺度双峰α-Mo结构的合金和具有微米/亚微米双尺度α-Mo结构的合金的抗压强度均高于具有亚微米单尺度α-Mo结构的合金。高温下,含有微米尺度组织的合金由于晶界数量少,导致晶界滑动参与的变形少,所以合金强度高;并且微米尺度组织中各相晶粒,尤其是α-Mo晶粒,因晶粒自身较大的塑性变形引起的加工硬化效果明显,也有助于合金强度的提高。此外,合金中La2O3颗粒也能够通过阻碍位错滑移和钉扎晶界起到强化合金的作用。相比于具有亚微米单尺度α-Mo结构的合金,具有微米/亚微米双尺度α-Mo结构的合金在1200℃-1300℃下的抗氧化性能略有降低。然而,通过包埋渗Si处理在双尺度合金表面制备的MoSi2基硅化物涂层,能够在保持合金优异力学性能的同时起到改善合金表面抗氧化性能的作用。
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