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基本信息

項(xiàng)目名稱：
航空高溫復(fù)合材料Nb/Nb5Si3的熔鑄工藝研究
小類：
能源化工
簡介：
航空航天等技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。 Nb/Nb5Si3復(fù)合材料因具有高熔點(diǎn)、低密度和良好的高溫強(qiáng)度等性能，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，并已成為人們研究的熱點(diǎn) 因此，開發(fā)該材料的制備工藝，研究工藝參數(shù)與組織性能之間的關(guān)系等內(nèi)容，對(duì)于促進(jìn)該材料的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。
詳細(xì)介紹：
航空航天等技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。 Nb/Nb5Si3復(fù)合材料因具有高熔點(diǎn)、低密度和良好的高溫強(qiáng)度等性能，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，并已成為人們研究的熱點(diǎn)。因此，開發(fā)該材料的制備工藝，研究工藝參數(shù)與組織性能之間的關(guān)系等內(nèi)容，對(duì)于促進(jìn)該材料的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。 本研究以Nb、Si元素粉末為原料，利用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)原位合成了Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。利用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和電子探針微區(qū)分析（EPMA）等手段分析了所得材料的組織結(jié)構(gòu)，并著重研究了Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的SPS原位合成與液態(tài)成形一體化的可能性(簡稱SPS的熔鑄工藝)，和凝固速度對(duì)所得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響。

作品圖片

  • 航空高溫復(fù)合材料Nb/Nb5Si3的熔鑄工藝研究
  • 航空高溫復(fù)合材料Nb/Nb5Si3的熔鑄工藝研究
  • 航空高溫復(fù)合材料Nb/Nb5Si3的熔鑄工藝研究
  • 航空高溫復(fù)合材料Nb/Nb5Si3的熔鑄工藝研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本研究專注于航空高溫復(fù)合材料Nb/Nb5Si3 的熔鑄工藝研究，實(shí)現(xiàn)材料的原位合成與液態(tài)成型一體化，為這種復(fù)合材料的工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。 本研究組在1600℃燒結(jié)溫度下，獲得的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料組織中出現(xiàn)了少量的枝晶狀組織。因此設(shè)想如果進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度，那么有可能促使Si粉和Nb粉的完全熔化，從而實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合材料的原位合成與液態(tài)形成一體化。對(duì)這個(gè)設(shè)想進(jìn)行試驗(yàn)并研究其過程。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

本研究采用最近發(fā)展起來的一種快速、高效的材料制備新技術(shù)――放電等離子燒結(jié)來直接原位合成Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。 1．成功地制備了近理論密度的原位Nb/Nb5Si3復(fù)合材料 2. 開發(fā)了Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的SPS熔鑄工藝，將材料的原位反應(yīng)合成與液態(tài)成形過程結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了材料的合成與液態(tài)成形一體化 3．本研究成果已申請(qǐng)國家發(fā)明專利（No：200910115502.8）

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

隨著航空技術(shù)的迅猛發(fā)展，要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推重比及工作效率，這便要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的工作溫度。目前正在研制的第六代發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作溫度要求高達(dá)1600℃以上。 Nb/Nb5Si3是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，它因具有高熔點(diǎn)、低密度、良好的高溫強(qiáng)度及優(yōu)良的抗腐蝕和抗蠕變性能，被認(rèn)為是最具開發(fā)應(yīng)用前景的高溫結(jié)構(gòu)材料，有望在先進(jìn)航空、航天燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的某些固定部件及高溫轉(zhuǎn)動(dòng)部件上應(yīng)用。

學(xué)術(shù)論文摘要

航空航天等技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。Nb/Nb5Si3復(fù)合材料因具有高熔點(diǎn)、低密度和良好的高溫強(qiáng)度等性能，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，并已成為人們研究的熱點(diǎn)。因此，開發(fā)該材料的制備工藝，研究工藝參數(shù)與組織性能之間的關(guān)系等內(nèi)容，對(duì)于促進(jìn)該材料的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。 本研究以Nb、Si元素粉末為原料，利用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)原位合成了Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。利用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和電子探針微區(qū)分析（EPMA）等手段分析了所得材料的組織結(jié)構(gòu)，并著重研究了Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的SPS原位合成與液態(tài)成形一體化的可能性(簡稱SPS的熔鑄工藝)，和凝固速度對(duì)所得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響。

獲獎(jiǎng)情況

1、獲省級(jí)“第十一屆挑戰(zhàn)杯課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”比賽一等獎(jiǎng) 2、發(fā)于“特種鑄造及有色合金”刊物（該刊物為EI（美國工程索引）源刊）

鑒定結(jié)果

1.已申請(qǐng)國家發(fā)明專利（No：200910115502.8） 2.科技情報(bào)所查新結(jié)果表明，目前國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)SPS熔鑄工藝制備Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)道。

參考文獻(xiàn)

1. Z. Li, L.M. Peng. Acta Materialia ,2007,55:6573 2. 陳哲,　嚴(yán)有為. 燒結(jié)溫度對(duì)原位復(fù)合材料Nb/Nb5Si3微觀組織結(jié)構(gòu)的影響. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2005，26（6）:45-48 3.傅恒志.未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨向.航空材料學(xué)報(bào),1998,18(4):52 4.寧興龍. 21世紀(jì)的航空航天材料. 金屬世界, 2000,(4):2 5.Kim Won-Yong, Tanaka Hisao, Hannda Shuji. Intermetallics , 2002,(10):625

同類課題研究水平概述

目前，美、日等國投入了比較大的人力和財(cái)力來研制Nb/Nb5Si3復(fù)合材料，我國在此領(lǐng)域已逐漸啟動(dòng)。近段時(shí)期以來，國內(nèi)外科技工作者致力于Nb5Si3及其復(fù)合材料的研究，已取得一定的進(jìn)展，并探索不同方法制備Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。 Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的常用制備方法包括：定向凝固、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD)、機(jī)械合金化、真空電弧熔煉等。 近年來，美國某空軍基地（AFB）材料研究室的Dimiduk D M等人一直采用真空電孤熔煉的方法制備Nb/Nb5Si3復(fù)合材料；日本的Ma C.L.等人通過粉末冶金的方法，利用元素Si粉和Nb粉在行星式球磨機(jī)中球磨30小時(shí)，然后在壓力40 MPa、溫度1500℃下經(jīng)過3小時(shí)的反應(yīng)熱壓燒結(jié)也獲得了致密的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。 此外，日本高溫材料研究所的Kim Won－Yong等人采用定向凝固的方法，用純鈮、硅、鉬在感應(yīng)爐中制備了具有一定取向顯微組織的Nb/Nb5Si3復(fù)合材料。Gavens A. J.等人用濺射沉積Nb和Nb5Si3的方法制備了Nb/Nb5Si3微疊層膜復(fù)合材料。 國內(nèi)對(duì)Nb/Nb5Si3復(fù)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報(bào)道了他們利用真空電弧熔煉而獲得Nb/Nb5Si3復(fù)合材料組織的結(jié)果。華中科技大學(xué)嚴(yán)有為、陳哲等人對(duì)Nb/Nb5Si3復(fù)合材料做了深入的研究，發(fā)表了多篇論文。
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