Laves相NbCr2化合物的力学性能及应用

2023-11-08 理论教育版权反馈

【摘要】：合金元素对缺陷的影响。在NbCr2 中加入合金元素，可以改变Laves 相或第二相的电子浓度及分布、晶格常数，形成空位缺陷，导致晶格畸变，改变堆垛层错能和位错形态等，从而改变Laves 相或第二相的化合键特性和位错运动阻力。合金元素对相变及相稳定性的影响。合金元素V 能够宽化C15 Laves 相区，加入含量超过30%时，形成三元C15Nb2 相[26]。

（1）合金元素对晶体结构的影响。

Laves 相NbCr2 具有典型的拓扑密排结构，分子式为AB2 型[9]，它具有高的对称性、大的配位数和高的原子堆垛密度的特征。Nb 和Cr 的原子半径之比约为1.14，比理想的原子半径比（1.225）要稍小，因此在形成密排晶体结构时，Cr 原子将被压缩[10]。合金元素加入后，可能取代Cr 原子晶格位置，也可能取代Nb 原子晶格位置，Chu 等[11]研究了V 合金化后C15相NbCr2 的晶体结构，发现虽然原子半径大小为RCr<RV<RNb，但V 原子只替代Cr 的位置，晶格参数随V 含量的增加而呈直线上升。Ormeci 等[12]使用第一性原理计算了NbCr2+V 化合物的平衡晶格参数、态密度和结合能，结果也是V 原子只替代Cr 的位置。Okaniwa 等[13]采用隧道电子显微镜微区分析的原子定位方法研究了Nb-Cr-X（X=V、Mo、W、Ti）合金中掺杂元素的取代位置，揭示了V 原子替代Cr 位置，而Mo、W、Ti 则取代Nb的位置。Kotula 等[14]的研究结果显示，在Nb-Cr-Ti 合金中Ti 原子只取代Cr 的位置，而Nb 原子有少量取代Cr 的位置。姚强等[15-17]通过第一性原理的全势线性缀加平面波方法和广义梯度近似计算得出V、Mo 优先占据Cr 的晶格位置，W、Ti、Zr 优先占据Nb 的晶格位置。

在Nb-Cr-Zr 三元合金系中，随Nb 含量的增加，晶格参数下降[18]，随V 含量的增加而增大，而随Mo、Ti 含量的增加而减小[19-20]。

（2）合金元素对缺陷的影响。

Laves 相是拓扑密排结构，其空间填充度很高，故对于Laves 相中的原子来说，不可能存在较大的间隙，Laves 相中的缺陷仅可能为结构空位或反位置点缺陷[11，21]。在NbCr2 中加入合金元素，可以改变Laves 相或第二相的电子浓度及分布、晶格常数，形成空位缺陷，导致晶格畸变，改变堆垛层错能和位错形态等，从而改变Laves 相或第二相的化合键特性和位错运动阻力。Yoshida 等人[21]发现含有5%^[1]V 的NbCr2 基合金中既没有孪晶也没有堆垛层错，而在5%Mo、5%W 的合金中发现有许多微孪晶和层错，他们认为V 增大了C15 相的堆垛层错能，而元素Mo 和W 则降低了堆垛层错能。而Thoma 等[4]研究的Nb-Cr-Ti 试样的缺陷机制均为反位置点缺陷，因为Ti 的原子价态比Nb 低，而Nb 又比Cr 低，按照电子结构理论，Ti或Nb 占据Cr 的位置可以增加键的结合力。

（3）合金元素对相变及相稳定性的影响。(www.chuimin.cn)

Yoshida 等[21]在含5%Mo、5%W 的NbCr2 基合金中观察到了高温相（C14 或C36），而在含5%V 的合金中则没有观察到，这说明加入V 增强了C15 相的稳定性，而Mo 和W 却降低了C15 相的稳定性。

Grujicic 等[22]的研究表明，Nb-Cr 系合金中加入Fe 后，在27%～38%Nb合金形成一个单一的Laves 相NbFe2，且保持C14 六方结构，Fe 有利于稳定高温六方C14 Laves 相。而添加临界数量的Fe 后C14 相可以稳定到室温；添加质量分数5% Fe 后，合金中出现C14、C36、C15 和Nb 固溶体，共有四个相，C15 和C36 有可能是C14 转变的产物。加入更多的Fe，会阻止C15 相的形成，合金中仅有C14、C36 和Nb 基固溶体。Fe 的添加有利于C14 转变为C36 相，因为C14 到C36 转变需要的活化能较低。

合金元素Mo 在Laves 相NbFe2 中溶解度为14%，V 的溶解度为26%，熔铸法制备的Nb-Cr-Mo、Nb-Cr-Ti、Nb-Cr-W 合金中具有C36 或C14 不稳相，经过热处理后会转变为C15 相，而Nb-Cr-V 合金中则没有发现不稳相[23-25]。合金元素V 能够宽化C15 Laves 相区，加入含量超过30%时，形成三元C15Nb（Cr，V）2 相[26]。

Zr 加入Cr-Nb 系合金中，在NbCr2-ZrCr2 伪二元线的中心会形成一个较宽的偏离化学配比的成分范围[18]。研究表明[20]，Zr 元素的加入，会延缓C14 相转变为C15 相，且富Cr 的合金铸态下有亚稳态C36 相，经热处理后转变为C15 相。实验证明在Laves 相的转变过程中存在长程扩散，分析固态中Laves 相的析出物和枝晶间的位错特征，可以用晶界扩散的机理来解释三元Cr-Nb-Zr 合金中元素含量的改变。

Laves相NbCr2化合物的力学性能及应用

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