高温用新型铌基合金_精品文档资料下载.pdf

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它在1500，150MPa条件下的蠕变断裂寿命超过100h。

在诸如1500高温下使之具有足够的抗氧化及抗腐蚀能力的研究目前正在进行。

关键词关键词：

气轮机，难熔金属，铌基合金，高温强度，阻止扩散涂层1引言引言最近，考虑到全球气候变暖，人们对提高燃煤电站的效率问题日益重视，尤其在日本，这点更加突出。

在日本，由于发电排放的二氧化碳量占到总的排放量的三分之一，超过98的排放是由热电厂产生的。

众所周知，热电厂的热效率随运行温度的提高而提高。

目前，效率最高的热电厂是装备了组合循环系统即蒸汽轮机和气轮机的厂子。

在这种系统中，整体热效率主要由气轮机的汽轮机入口温度（TIT）控制。

为了增加TIT，就需要提高一系列高温材料的使用温度。

目前应用最广泛的高温材料是镍基合金，由于合金设计和工艺技术的进步，镍基合金具有优良的高温性能。

报道称：

TMS-162一种最新的根据单向凝固技术开发的单晶合金，以137MPa1000h蠕变断裂寿命标准衡量，其使用温度可以达到11001，2。

然而，镍基合金的实际使用温度受到限制：

其熔点低于1400。

因此，按照目前的趋势来看，气轮机的TIT在不断提高，正在逼近1500，这样，对于镍基合金部件，如燃烧器、叶片等，冷却系统是必不可少的。

但是，强化部件的冷却能力会制约热效率的提高。

由于这些原因，急需开发新型结构材料以用于超过传统的镍基合金使用温度场合。

在这种形势下，不断有关于铌基难熔材料的研究314。

由于铌基合金具有高熔点和相对较低的密度，它们有望应用于高于镍基材料使用温度的超高温场合。

然而，在高温下，强度急剧下降并且抗氧化性能较差是铌基合金的缺点。

从1996年，日本超高温材料研究所开始研制气轮机受热部件用铌基合金。

考虑到其应用场合，制定了下述性能目标：

1500C时的比强度（应力/密度）：

大于50MPa/g.cm-31.假设合金密度为9.0g.cm-3，50MPa/g.cm-3的比强度就相当于450MPa的净标准应力。

2.1500C-100h时的蠕变断裂强度：

大于150MPa3.抗氧化性能（1500C暴露10000h的腐蚀损失）：

小于250m室温断裂韧性为：

不远小于10Mpa.m1/2。

首先，新型铌基合金的开发着重于通过固溶强化和弥散强化提高其高温强度15-24,随后通过”原位复合”措施提高高温强度20,25-39,最后争取达到更高的使用温度,如1500C39,42。

在2000年举行的“钽与铌”会议上，A.Kasama等人21做了一个关于新型铌基合金显微组织和力学性能的报告。

本文概括了从上次报告21后做的一些兼顾高温强度和室温断裂韧性的工作。

此外，在本次会议上，日本Hokkaido大学的ToshioNarita教授要介绍一种铌基合金用的抗氧化涂层系统。

2实验部分实验部分实验中用的原材料为:

99.9mass%Nb,99.9mass%Mo,99.9mass%W,99.999mass%Si和98mass%Hf。

碳以NbC的形式添加,其纯度为99mass%。

在高纯氩气的电弧炉中冶炼合金锭，电极材料为钨。

在样品融化前,位于炉中的纯钽先熔化至少2min,以除去氩气中的氧。

为保证成分均匀，所有样品都经过几次重熔。

熔化前后的质量损失小于0.1%，这样合金成分与设计成分相当接近。

在1500C至1850C热处理12到48小时，以高纯氩气保护，然后快速炉冷。

有的样品在2000C热处理，以观察显微组织变化，特别是碳化物。

用电解法制备样品进行金相观察，化学成分分析，相分析及力学性能测试。

用电解法制样进行金相观察，成分分析，相分析及力学性能测试。

用扫描电镜的背散射电子成像技术观察显微组织以分辨连续相。

用波谱仪进行连续相的成分分析。

用X射线衍射分析连续相的晶体结构。

压力试验的样品尺寸为3mmx3mmx6mm，拉伸测试的样品厚度为3mm，长度10mm，如图1所示。

样品用EDM切割，然后用SiC砂纸和氧化铝抛光液抛光。

拉伸和压缩试验以初始应变速率3x10-4s-1进行，高温试验在纯氩气中进行。

图1用于压缩及拉伸实验样品的尺寸高温蠕变试验采用超高温蠕变试验机，ToshinHCTT-3000,试验温度范围为1200C-1500C，名义应力为10.5-200MPa，采用纯度为99.999%的氩气保护。

用钨加热块和SiC热架将许用应力传给试验工件。

拉伸蠕变样品的尺寸长度为10mm，断面尺寸为3mmx3mm。

在测试样品两侧加工的台阶是为了对上下角的蠕变错位进行连续观察。

压缩蠕变试样的形状与上面提到的压缩试验的样品相同。

为了精确测量蠕变应变，日本超高温材料研究所42使用了一套新的光学延伸测试系统。

断裂韧性测试按照ASTME399-1987方法进行，样品断面尺寸为3mmx6mm，长度为24mm，没有疲劳预制裂纹，冲击速度为0.5mm/min。

3结果与讨论结果与讨论3.1固溶强化与碳化物弥散强化对铌基合金力学性能的影响固溶强化与碳化物弥散强化对铌基合金力学性能的影响首先，研究了基于固溶强化的含W,Mo,Ta和V的铌基合金的高温强度。

研究发现，在高温时，Mo和W的固溶强化效应比V和Ta更显著。

将Mo和W复合加入Nb中后，发现2115-25%Mo及5-15%W（摩尔分数）的加入量是用于如1500C21高温环境下最有希望的基准成分，对含515at%Mo和530%W（摩尔分数）的合金，0.2%的许用应力、0.2和（Mo+1.5W）at%间存在下述线性关系42:

0.2/MPa=8.3（Mo+1.5W）+16.7,R2=0.997

（2）Nb-Mo-W合金中复合加入5at%Hf-5at%C也有利于提高1500C时的许用应力和室温断裂韧性。

然而，深入的研究42表明，无论在室温还是1500C，室温断裂韧性KQ都随0.2%许用应力的增加趋于下降，如图2所示。

所以，为了提高断裂韧性，研究了富铌固溶体中加碳化物微粒的情况23。

因为在高温下MC型碳化物具有高热稳定性和高强度，合金中加入Hf和C以求产生弥散分布的细小碳化物（Nb,Hf）C。

Hf和C的加入有助于提高Nb-5Mo-5W和Nb-5Mo-15W合金在1500C时的许用应力。

图2.铌基固溶强化合金的室温断裂韧性与室温及高温许用应力之间的关系加入5Hf-5C产生的有益作用可归因于对晶间断裂的抑制作用23。

对Nb-5Mo-15W-5（Hf+C）合金的TEM和EDS观察表明Nb2C以微粒（0.65m）和粗糙的棒状形状存在，然而，Nb2C中部分Nb被Hf的取代物，以及Hf的碳化物HfC均未被发现。

另一方面，加入各10%的Hf和C产生的最大许用应力低于目标值之一450MPa。

3.2通过加入通过加入Si形成的硅化物对铌基合金力学性能的影响形成的硅化物对铌基合金力学性能的影响前面部分的结果表明Nb-Mo-W固溶合金的力学性能不足以满足在1500C达到450MPa的强度要求。

我们对Nb-Si合金系很感兴趣，因为它具有较宽的两相区，其中包括韧性较强的铌固溶体和Nb5Si3金属间化合物相，它的熔点是2254C43。

这样，金属间化合物的存在可能会导致高的高温强度。

研究结果也显示，在Nb-Si二元系中，由于韧性相的增韧作用4，Nbss/Nb5Si3原位复合物的断裂韧性也高于单一的Nb5Si3相。

因此，我们通过加入Si形成金属间化合物-Nb的硅化物来开发具有比Nb-Mo-W固溶合金更高强度的合金。

图3是三种合金40的BEI图象。

结合XRD和EPMA结果，Nb-16Si-5Mo-5W（Figure3（a）和Nb-20Si-10Mo（Figure3（b）的显微组织由粗糙的Nbss微粒和细小的Nbss和Nb5Si3组成。

图3（a）和（b）中的明暗对比区分别是Nbss和Nb5Si3相。

含16at%Si的两种合金具有过共析组织，由Nbss和Nb5Si3组成，含20at%Si的合金具有亚共析组织，包含初生Nb5Si3相。

Nb-16Si-5Mo-15W-5Hf-5C合金（图3（c）的显微组织由三种相组成，图中，暗区和较暗区分别是Nb5Si3和Nbss,亮区是碳化物（Nb,Hf）C。

碳化物微粒弥散在晶界和Nbss与Nb5Si3的界面间。

图3三种铌基合金的BEI图像（a）1773K下时效62h的Nb-16Si-5Mo-5W（b）1773K下时效58h的Nb-20Si-10Mo（c）1773K下时效477h的Nb-16Si-5Mo-15W-5Hf-5C图4表明硅化物VNb5Si3的体积含量随硅含量的增加按VNb5Si3=3.085x（Si%）42形式线性增加。

图5标明了三种合金在1500C的压缩许用应力和室温断裂韧性与（Mo+1.5W）%的关系。

虽然这些压缩试验结果稍微高于拉伸试验结果，如果考虑试验误差21，仍可以说二者是一致的。

对图5中的三种合金，许用应力随（Mo+1.5W）的含量线形增加，Nb-16Si-5Mo-15W-5（Hf+C）合金的数据图表明，Mo+1.5W含量约为27.5%（摩尔分数）即5%Mo加15%W（摩尔分数）时，许用应力大于450MPa，断裂韧性（图5（b）保持将近10MPam1/2。

图4Nb-Si-Mo-W合金中Si含量与硅化物和Nb5Si3体积分数的关系图5含（Hf+C）和Si及不含（Hf+C）和Si两种Nb-Mo-W合金中Mo和W含量与许用应力及断裂强度的关系图6是典型的硅化物强化的铌基合金在1500C的蠕变曲线。

在图7中，画出了三种铌基合金、含不同W和Hf（C）的Nb-16Si-5Mo与定向凝固（DS）NbTiAl的硅化物的复合物以及第二和第三代单晶镍基合金44的Larson-Miller参数的比较。

图6硅化物强化的铌基合金的典型拉伸蠕变曲线图7三种铌基合金与定向凝固（DS）NbTiAl的硅化物复合材料以及第二和第三代单晶镍基高温合金的Larson-Miller参数的比较上面提到的DS复合材料的应力断裂性能与镍基单晶合金类似。

通过Nb5Si3强化的Nb-16Si-5Mo-15W-5（Hf+C）合金表现出极高的蠕变断裂强度，它可以满足在1500C运行100h具有150MPa的目标。

从上述大量数据，包括室温0.2%许用应力，在1500C，100h的蠕变断裂强度以及室温断裂韧性，可以得出结论：

Nb-16Si-5Mo-15W-5Hf-5C合金的性能可以满足试验目标。

由于合金的抗氧化能力较差，所以日本Hokkaido大学ToshioNarita教授研制了一种抗氧化的涂层系统，随后他会介绍详细情况。

然而，要将此合金应用于气轮机的叶片等受热部件，仍需要做大量工作。

4总结总结本文开发了一种新型铌基合