基本信息
- 项目名称：
- 航空高温复合材料Nb/Nb5Si3的熔铸工艺研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 航空航天等技术的迅猛发展，对高温结构材料提出了更高的要求。 Nb/Nb5Si3复合材料因具有高熔点、低密度和良好的高温强度等性能，被认为是一种极具发展前景的新型高温结构材料，并已成为人们研究的热点 因此，开发该材料的制备工艺，研究工艺参数与组织性能之间的关系等内容，对于促进该材料的发展和应用具有重要的意义。
- 详细介绍：
- 航空航天等技术的迅猛发展，对高温结构材料提出了更高的要求。 Nb/Nb5Si3复合材料因具有高熔点、低密度和良好的高温强度等性能，被认为是一种极具发展前景的新型高温结构材料，并已成为人们研究的热点。因此，开发该材料的制备工艺，研究工艺参数与组织性能之间的关系等内容，对于促进该材料的发展和应用具有重要的意义。 本研究以Nb、Si元素粉末为原料，利用放电等离子烧结（SPS）技术原位合成了Nb/Nb5Si3复合材料。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子探针微区分析（EPMA）等手段分析了所得材料的组织结构，并着重研究了Nb/Nb5Si3复合材料的SPS原位合成与液态成形一体化的可能性(简称SPS的熔铸工艺)，和凝固速度对所得复合材料结构的影响。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本研究专注于航空高温复合材料Nb/Nb5Si3 的熔铸工艺研究，实现材料的原位合成与液态成型一体化，为这种复合材料的工业化应用提供理论基础。 本研究组在1600℃烧结温度下，获得的Nb/Nb5Si3复合材料组织中出现了少量的枝晶状组织。因此设想如果进一步提高烧结温度，那么有可能促使Si粉和Nb粉的完全熔化，从而实现这种复合材料的原位合成与液态形成一体化。对这个设想进行试验并研究其过程。
科学性、先进性及独特之处
- 本研究采用最近发展起来的一种快速、高效的材料制备新技术――放电等离子烧结来直接原位合成Nb/Nb5Si3复合材料。 1．成功地制备了近理论密度的原位Nb/Nb5Si3复合材料 2. 开发了Nb/Nb5Si3复合材料的SPS熔铸工艺，将材料的原位反应合成与液态成形过程结合起来，实现了材料的合成与液态成形一体化 3．本研究成果已申请国家发明专利（No：200910115502.8）
应用价值和现实意义
- 随着航空技术的迅猛发展，要求发动机具有更高的推重比及工作效率，这便要求发动机具有更高的工作温度。目前正在研制的第六代发动机，其工作温度要求高达1600℃以上。 Nb/Nb5Si3是一种新型的高温结构复合材料，它因具有高熔点、低密度、良好的高温强度及优良的抗腐蚀和抗蠕变性能，被认为是最具开发应用前景的高温结构材料，有望在先进航空、航天燃气涡轮发动机中的某些固定部件及高温转动部件上应用。
学术论文摘要
- 航空航天等技术的迅猛发展，对高温结构材料提出了更高的要求。Nb/Nb5Si3复合材料因具有高熔点、低密度和良好的高温强度等性能，被认为是一种极具发展前景的新型高温结构材料，并已成为人们研究的热点。因此，开发该材料的制备工艺，研究工艺参数与组织性能之间的关系等内容，对于促进该材料的发展和应用具有重要的意义。 本研究以Nb、Si元素粉末为原料，利用放电等离子烧结（SPS）技术原位合成了Nb/Nb5Si3复合材料。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子探针微区分析（EPMA）等手段分析了所得材料的组织结构，并着重研究了Nb/Nb5Si3复合材料的SPS原位合成与液态成形一体化的可能性(简称SPS的熔铸工艺)，和凝固速度对所得复合材料结构的影响。
获奖情况
- 1、获省级“第十一届挑战杯课外学术科技作品竞赛”比赛一等奖 2、发于“特种铸造及有色合金”刊物（该刊物为EI（美国工程索引）源刊）
鉴定结果
- 1.已申请国家发明专利（No：200910115502.8） 2.科技情报所查新结果表明，目前国内尚未发现SPS熔铸工艺制备Nb/Nb5Si3复合材料的相关报道。
参考文献
- 1. Z. Li, L.M. Peng. Acta Materialia ,2007,55:6573 2. 陈哲, 严有为. 烧结温度对原位复合材料Nb/Nb5Si3微观组织结构的影响. 材料热处理学报，2005，26（6）:45-48 3.傅恒志.未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋向.航空材料学报,1998,18(4):52 4.宁兴龙. 21世纪的航空航天材料. 金属世界, 2000,(4):2 5.Kim Won-Yong, Tanaka Hisao, Hannda Shuji. Intermetallics , 2002,(10):625
同类课题研究水平概述
- 目前，美、日等国投入了比较大的人力和财力来研制Nb/Nb5Si3复合材料，我国在此领域已逐渐启动。近段时期以来，国内外科技工作者致力于Nb5Si3及其复合材料的研究，已取得一定的进展，并探索不同方法制备Nb/Nb5Si3复合材料。 Nb/Nb5Si3复合材料的常用制备方法包括：定向凝固、物理气相沉积、化学气相沉积(CVD)、机械合金化、真空电弧熔炼等。 近年来，美国某空军基地（AFB）材料研究室的Dimiduk D M等人一直采用真空电孤熔炼的方法制备Nb/Nb5Si3复合材料；日本的Ma C.L.等人通过粉末冶金的方法，利用元素Si粉和Nb粉在行星式球磨机中球磨30小时，然后在压力40 MPa、温度1500℃下经过3小时的反应热压烧结也获得了致密的Nb/Nb5Si3复合材料。 此外，日本高温材料研究所的Kim Won－Yong等人采用定向凝固的方法，用纯铌、硅、钼在感应炉中制备了具有一定取向显微组织的Nb/Nb5Si3复合材料。Gavens A. J.等人用溅射沉积Nb和Nb5Si3的方法制备了Nb/Nb5Si3微叠层膜复合材料。 国内对Nb/Nb5Si3复合材料的研究已取得一定的成果，北京航空材料研究院的曲土昱等人曾报道了他们利用真空电弧熔炼而获得Nb/Nb5Si3复合材料组织的结果。华中科技大学严有为、陈哲等人对Nb/Nb5Si3复合材料做了深入的研究，发表了多篇论文。
