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航空技术的发展要求发动机具有更高的推重比,也即要求其涡轮叶片材料能承受更高的温度和拥有更优异的力学及抗腐蚀性能。由于Nb-Si基超高温合金具有高熔点、低密度及较好的室温、高温力学性能等特点,有望成为下一代飞机发动机用高温结构材料。然而,其较差的抗氧化性能限制了这些合金在航空等领域的应用。合金化是提高Nb-Si基超高温合金的综合性能、尤其是高温抗氧化性能的重要手段。近年来,有关Hf、B和Cr合金化的研究已有大量报道,但主要集中在三元或四元等简单的Nb-Si基体系中,且对元素之间的复合作用及成分优化等方面的研究尚存不足。从优化合金综合性能出发,系统研究Hf、B和Cr合金化特别是其复合作用对于开发新型Nb-Si基超高温合金并尽早实现其应用具有十分重要的意义。本文主要研究内容和结果如下:采用真空非自耗电弧熔炼法制备了十五种多元Nb-Si基超高温合金,其名义成分为 Nb-22Ti-16Si-3Al-xHf-.yB-zCr(at.%),在 1450℃保温 50 h 对合金进行均匀化处理,研究Hf、B和Cr合金化及其复合作用对Nb-Si基超高温合金相选择、相稳定、相转变、非平衡及平衡组织的影响。结果表明:B或Cr均能促进过共晶组织的形成,而Hf对合金的共晶点几乎没有影响。单独添加Hf或B将完全抑制β(Nb,X)5Si3("X"代表Ti,Hf和Cr等元素)的形成并促进α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3的形成,同时添加Hf和B则会极大地促进γ(Nb,X)5Si3的形成。添加Cr对5-3型硅化物的晶型没有影响。同时添加Hf和Cr将促进含Cr2(Nb,X)三相共晶组织的形成。经1450℃/50 h热处理后,在不含Hf和B的合金中β(Nb,X)5Si3完全转变为α(Nb,X)5Si3,而在只含Hf的合金中也发生了 α(Nb,X)5Si3向γ(Nb,X)5Si3的转变。在不含Hf和B的合金中为Nbss和α(Nb,X)5Si3两相平衡,在只含Hf或B的合金中为Nbss、α(Nb,X)5Si3和γ(Nb,X)5Si3三相平衡,而在同时含Hf和B的合金中则为Nbss和γ(Nb,X)5Si3两相平衡。此外,在B存在的情况下,较低的Ti或(Ti + Hf)含量也可稳定y(Nb,X)5Si3。随着合金中Hf含量的增加,初生硅化物的含量没有明显变化。当Hf含量较低时(2at.%),合金中的硅化物为α(Nb,X)5Si3和γ(Nb.X)5Si3,而当Hf含量增加至4和8 at.%时,则仅为γ(Nb,X)5Si3。增加B含量至5和10 at.%不仅进一步促进了 γ(Nb,X)5Si3的形成,还促进了(Nb,X)3Si的形成,且初生硅化物及含Cr2(Nb,X)三相共晶的含量均随合金中B含量的增加而增加。含5和10 at.%B的合金在热处理过程中还会发生(Nb,X)3Si → Nbss + γ(Nb,X)5Si3共析转变。添加高含量的Cr(10at.%)仍然不会影响5-3型硅化物的晶型(其仅为y(Nb,X)5Si3),但却会明显促进含Cr2(Nb,X)三相共晶的形成,且初生硅化物的含量随合金中Cr含量的增加而增加。热处理后,在Cr含量较低(小于5 at.%)的合金中不再观察到Cr2(Nb,X)相,而在Cr含量较高(10 at.%)的合金中则出现了 Nbss、γ(Nb,X)5Si3和Cr2(Nb,X)的三相平衡组织。对十五种电弧熔炼态合金在1250℃静态空气中进行了 1或50 h的氧化,以研究Hf、B和Cr合金化及其复合作用对Nb-Si基超高温合金高温抗氧化性能的影响。结果表明:在1250℃氧化1或50 h后,所有合金的氧化膜均发生脱落。氧化膜存在明显的分层结构(即外层和内层),且在合金表面还可观察到内氧化区。氧化膜外层主要由TiNb207、(Ti,X)02和无定形硅酸盐颗粒构成,内层主要由Ti2Nb10029、Ti02、Nb205、Hf02、无定形硅酸盐及未被氧化的硅化物构成,而内氧化区中的氧化物则主要为T1O2和HfO2。未添加Hf、B和Cr的合金的抗氧化性能最差,单独添加Hf可轻微改善合金的抗氧化性能(基于活性元素的动态偏聚理论)。添加B或Cr可以通过增加硅化物的含量、提高氧化膜的致密性、降低氧化膜内层的厚度及其所占的比例以及促进内氧化区中Ti的选择性氧化等方式改善合金的抗氧化性能,添加Cr还会明显促进氧化膜中(Ti,X)02的形成。同时添加B和Cr的合金比单独添加B或Cr的合金具有更好的抗氧化性能,且增加B或Cr含量会进一步提高合金的抗氧化性能。在B或Cr存在的情况下,添加Hf会降低氧化膜的致密性并增加其脆性,同时还将增加氧化膜内层的厚度及其所占的比例,抑制内氧化区中Ti的选择性氧化并促进Hf02的形成,从而使合金的抗氧化性能明显降低。而在B和Cr同时存在的情况下,添加少量的Hf(2 at.%)可轻微改善合金的抗氧化性能,而随着合金中Hf含量的增加(特别是增加至8 at.%时),合金的内氧化明显加剧,从而使其抗氧化性能又有所下降。对十五种合金在电弧熔炼态或热处理后进行了三点弯曲实验及硬度测试,以研究Hf、B和Cr合金化及其复合作用对Nb-Si基超高温合金室温断裂韧性、显微硬度及宏观硬度的影响;对不同Hf含量的合金进行了 1250℃的高温压缩测试(应变速率为5 × 10-3 s-1),以研究Hf含量对合金高温压缩性能的影响。结果表明:添加Cr降低合金的室温断裂韧性。单独添加Hf或B使合金的室温断裂韧性降低,而同时添加Hf和B对其没有明显影响。增加B含量至5和10 at.%或Cr含量至10 at.%均使合金的室温断裂韧性进一步降低。在B和Cr存在的情况下,合金的室温断裂韧性随合金中Hf含量的增加呈现出增加的趋势,且当Hf含量较高时(8 at.%),其提高的幅度更大。γ(Nb,X)5Si3、α(Nb,X)5Si3、β(Nb,X)5Si3的硬度依次降低。由于具有较高的B含量,(Nb,X)3Si的硬度明显高于(Nb,X)5Si3。热处理后,(Nb,X)5Si3的硬度轻微降低,而(Nb,X)3Si的硬度则有所增加。含Cr合金的宏观硬度及其共晶组织的硬度比不含Cr合金中的高,且增加B含量至5和10 at.%或Cr含量至10 at.%均使合金的宏观硬度增加。初生γ(Nb,X)5Si3和共晶组织的硬度,以及合金的宏观硬度均随合金中Hf含量的增加而增加,且当Hf含量较高时(8 at.%),增加更明显。热处理后,含Hf合金的宏观硬度明显降低(特别是在不含Cr的情况下)。另外,添加少量的Hf(2和4 at.%)可通过固溶强化作用增加合金的高温压缩强度。然而,由于合金、特别是γ(Nb,X)5Si3的严重脆化,添加较高含量的Hf(8 at.%)又会使其高温压缩强度明显降低。