元素掺杂对Laves相NbCr2化合物组织和力学性能影响的研究进展

万鹏

摘 要：Laves相NbCr2合金具有非常高的高温强度，高温下有着良好的力学性能及断裂韧性。从元素掺杂对Laves相NbCr2化合物组织和力学性能影响的研究进展进行了综述，重点对Laves相NbCr2的断裂韧性和高温抗氧化性两方面的元素掺杂研究现状进行了论述。

关键词：Laves相；NbCr2；元素掺杂；断裂韧性；高温抗氧化性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.264

随着航空航天技术的快速发展，提升航空发动机的主要方向在提高效率和推重比上，而要使发动机具备更高的工作效率及推重比，必须适应更高的工作温度，高温结构材料需求日益增大[1]。过渡金属Laves相基合金被认为是具有超越镍基合金应用潜力的新型高温结构材料的候选之一，其中难熔金属Nb和合金元素Cr形成的Laves相NbCr2不仅具有熔点高、比重适当以及高温下力学性能良好的特点，而且其性能介于陶瓷材料和金属材料之间，是近年来材料领域的研究热点之一[2]。然而，Laves相NbCr2合金也存在一些缺陷，在室温下非常脆，其室温脆性限制和阻碍了该合金的工程应用。针对NbCr2合金室温韧性差等问题，许多学者进行了大量的研究，本文对Laves相NbCr2合金的增韧机制和氧化机理进行了阐述，重点从断裂韧性和高温抗氧化性两方面，综述了元素掺杂对Laves相NbCr2化合物组织和力学性能影响的研究现状及相关研究成果。

1 Laves相NbCr2金属间化合物的韧化效应

1.1 Laves相NbCr2的韧化机制

Laves相是具有分子式AB2型和拓扑密排晶体结构最丰富的金属间化合物，一個突出的例子是NbCr2。Laves相NbCr2合金晶体的常见结构类型有三种：密排六方C14（MgZn2型）、面心立方C15（MgCu2型）和双密排六方C36（MgNi2型）。在三种晶体结构中，每种晶体结构的基本堆垛单元都是由四层原子面组成，大原子Nb和小原子Cr各占两层原子面[3]。其中对于C15型Laves相NbCr2合金，其合金弥散分布于基体组织中，且位错运动到Laves相的棱锥面上时，由于棱锥面与位错运动方向的不一致性，其运动趋势将会受到阻碍甚至会停止，位错会以攀移的方式到相邻的Laves相面进行滑移。

而材料的断裂韧性是材料塑性与强度的综合体现，是断裂过程中所需要能量的参量。通过上述对C15型NbCr2 的结构和特征的简要介绍，Laves相NbCr2的室温韧性是其固有脆性的结果。

1.2 元素掺杂对断裂韧性的影响

元素掺杂是改善金属间化合物室温脆性和提高力学性能的一种非常有效和常见的措施，也是影响金属间化合物的断裂韧性的一个至关重要的因素。在合金成分方面，由于合金的加入会改变相变趋势和速率，并发生结构占位和阻碍位错运动等现象，进而引起合金组织的改变。

目前，作为合金元素进行研究的有Ti、Fe、Nb、Mo、V等。姚强等[4-6]对过渡金属元素V、Ti和W在C15结构中的 Laves相NbCr2中的晶格占位进行了较为系统的研究。与C15单相NbCr2合金相比，添加5% V使铸态合金中既没有微孪晶也没有堆垛层错，而在添加Mo、W的三元合金中有许多微孪晶和层错。在添加Mo、W的合金中观察到高温相C14或C36的存在，说明V的添加提高C15相的稳定性，而Mo和W降低了C15相的稳定性[7]。由于杂质污染一直伴随着机械合金化全过程，如磨球中的Fe元素和筛分时的分体污染等问题。因此，为了尽可能减少杂质污染几率、降低杂质含量以及球磨粉体的粒径在纳米范围，可以把机械球磨和热压烧结相结合在一起用于制备Laves相合金。

2 Laves相NbCr2金属间化合物的高温抗氧化性

2.1 Laves相NbCr2的抗氧化机理

由于Laves相NbCr2合金的高熔点和室温致脆性，若采用湿砂型铸造则在低温阶段就可能发生裂纹倾向且不易控制温度梯度等现象，因此首选采用熔模铸造。由于熔铸法制备出的Laves相NbCr2合金综合性能较差，研究者通过采用机械合金方法来细化粉末晶粒，在受外力的作用下，晶粒内部和晶界附近的应变度相差较小，变形较均匀，并其晶界密度提高，致使一些初发微裂纹能够弥合，不易生成或传播，因而稳定性得到改善。

薛云龙等[8]采用定向凝固方法来控制Laves相NbCr2-20Ti合金定向组织和形态，合金在不同定向凝固速率下的组织均由C15-NbCr2和β-Ti 两相构成，高温相β-Ti的形成是由于Cr的稳定化作用所致，并随着凝固速率的增加，C15- NbCr2枝晶逐渐分裂，枝晶生长方向越偏向择优取向，凝固组织变细。最终达到较好的高温抗氧化性。

2.2 元素掺杂对高温抗氧化性的影响

元素掺杂也是影响金属间化合物的高温抗氧化性能和其热稳定性的一个至关重要的因素。虽然元素掺杂后的金属间化合物相的稳定性不能只从几何填充因素方面考虑，但是，由于添加合金元素进而改变其合金相或第二相的键能和位错层能，达到改善其变形能力和热稳定性目的。

Yoshida等对含有5%V的Laves相NbCr2合金在1623K时的高温变形后，其C15结构的稳定性和高温塑性都有很大的提高。在Laves相NbCr2合金化的二元或多元系中，Laves相的相转变和稳定性与晶格或电子等因素的改变有关。许多研究学者为了研制出高温结构材料的连续使用上限温度，付浩等对铌基合金进行了高温强化性能研究，结果表明，添加了W、Mo元素的合金，可与基体形成合金化固溶体，从而提高材料的高温蠕变性能。而添加C和Zr元素后，形成碳化物强化相，在经过1600-1900℃的长时间保温后使得碳化物分布均匀，最终达到细化。

3 结束语

室温脆性和高温抗氧化性是Laves相NbCr2发展的两个关键因素作为潜在的高温结构材料， Laves相NbCr2在高温力学、高温抗氧化和高温稳定性能方面已显示出非凡的潜力。人们对Laves相NbCr2相结构和变性特征机理的深入认识， 并且随着新理念、新技术和新工艺的不断推进，Laves相NbCr2的高温稳定性会取得较大的提高。可以相信， 将对我国的航空航天事业， 特别是国防工业的飞速发展有着极大地促进作用，并加快Laves相NbCr2合金作为新型高温结构材料的工程化应用进程具有重要意义。endprint

参考文献：

[1]张跃学，李斌，张军峰等.高推重比航空发动机部件匹配研究[J].航空发动机，2012，38（01）：13-20.

[2]Shibano R，Yamanaka Y，Okada N，et al.Ab，initio study of stacking faults and deformation mechanism in C15 Laves phases Cr2 X （X=Nb， Zr， Hf）[J].Materials Chemistry and Physics，2014，143（02）：702-706.

[3]鲁世强，黄伯云，贺跃辉等.Laves相合金的物理冶金特性[J].材料导报，2003，17（01）：11-13.

[4]Yao Q，Sun J，Zhang Y，et al.First-principles studies of ternary site occupancy in the C15NbCr2 Laves phase. Acta Materialia，2006，54（13）：3585-3591.

[5]Yao Q，Sun J，Lin D，et al.First-principles studies of defects，mechanical properties and lectronic structure of Cr-based Laves phases.Intermetallics，2007，15（5-6）：694-699.

[6]姚强.过渡金属元素在Laves相NbCr2中晶格占位的第一性原理计算[J].金属学报，2006，42（08）：801-804.

[7]Yoshida M，Takasugi T.The alloying effect on the high temperature deformation of Laves phase NbCr2，intermetallic compound[J].Materials Science and Engineering A，1997， 234（97）：873-876.

[8]薛云龍，李双明，李克伟等.Laves相Cr_2Nb-20Ti合金定向凝固组织与取向生长[J].稀有金属材料与工程，2015（02）：375-380.endprint