经济型Nb-Ti-Si-Zr四元合金实现室温韧性与高温性能的卓越匹配

为解决航空发动机用Nb-Si基超高温合金室温韧性不足与高温性能难以平衡的问题，研究人员通过设计Nb-30Ti-xSi-yZr四元合金体系，系统研究Si/Zr含量对微观结构及力学性能的影响。结果表明，Zr的添加可抑制Nb3Si相形成并促进γ-Nb5Si3/Nbss共晶结构，Nb-30Ti-13Si-12Zr合金展现出最优综合性能（室温断裂韧性14.68 MPa·m1/2，高温强度251.8 MPa），为航空材料设计提供新思路。

　　

随着航空发动机推力重量比要求的不断提升，涡轮入口温度需达到1800°C，传统镍基高温合金已接近性能极限。Nb-Si基超高温合金因其高熔点、低密度和优异高温性能成为最具潜力的替代材料，但其室温韧性差、加工困难等问题严重制约工程应用。如何通过成分设计实现室温韧性与高温性能的协同优化，成为该领域的研究焦点。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过真空非自耗电弧熔炼制备Nb-30Ti-xSi-yZr（x=10-16, y=6/12）四元合金，结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和力学性能测试，系统探究Si/Zr含量对相组成、微观结构及性能的影响规律。研究选用30 at.% Ti替代Nb以降低成本，并通过设计梯度成分揭示Zr对Nb₃Si相抑制作用的临界阈值。

Phase constitutions and microstructure
研究发现：低Zr（6 at.%）合金中存在Nbss（铌固溶体）、Nb₃Si和γ-Nb₅Si₃三相；当Zr增至12 at.%时，Nb₃Si相完全消失，全部转变为γ-Nb₅Si₃/Nbss共晶结构。Zr的添加使合金组织从亚共晶向过共晶转变，其中Nb-30Ti-13Si-12Zr呈现典型层状共晶特征，无初生硅化物相。

Mechanical properties
性能测试表明：Si含量增加通过提高硅化物比例（10→16 at.%时体积分数从32.1%增至54.7%）显著提升高温强度；Zr的固溶强化效应使Nb-30Ti-xSi-12Zr系列合金高温压缩强度提升12-18%。断裂韧性分析显示，高Zr合金中裂纹在Nbss和共晶区发生大角度偏转，通过释放尖端应力使Nb-30Ti-13Si-12Zr获得最优韧性（14.68 MPa·m^1/2），较相同Si含量低Zr合金提高23%。

Conclusions
该研究首次在Nb-Ti-Si-Zr四元体系中实现室温韧性与高温强度的协同调控：Zr通过抑制Nb₃Si相并促进γ-Nb₅Si₃形成，同时发挥固溶强化作用；Si含量调控硅化物比例以平衡性能。最优成分Nb-30Ti-13Si-12Zr的综合性能超越同类多元合金，其设计策略为航空发动机用超高温材料开发提供重要参考。研究团队Qin Xu、Yuxin Wang等指出，该合金体系的经济性（30% Ti替代）与可加工性突破，将加速Nb-Si基合金的工程化应用进程。