《Materials & Design》：Yb oxide particles collaboratively enhancing fracture toughness and oxidation resistance in Nb-Si based alloys
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镱（Yb）显著细化Nb5Si3并促进更多次生Nb5Si3的形成。Yb掺杂大幅提升铌硅（Nb-Si）基合金的室温断裂韧性。Yb掺杂降低Nb-Si基合金的高温氧化速率。氧化过程中，在相界处形成的Yb3Al5O12显著阻碍氧的扩散。Nb-Si基合金因低密度与优异高温
镱（Yb）显著细化Nb5Si3并促进更多次生Nb5Si3的形成。Yb掺杂大幅提升铌硅（Nb-Si）基合金的室温断裂韧性。Yb掺杂降低Nb-Si基合金的高温氧化速率。氧化过程中，在相界处形成的Yb3Al5O12显著阻碍氧的扩散。Nb-Si基合金因低密度与优异高温力学性能被视为涡轮叶片材料的极具潜力候选，有望替代现有镍基高温合金。此类合金通常由铌固溶体（Nbss）与硅化物相组成，前者提供一定延性，后者贡献高温强度与抗氧化性。然而Nb-Si基合金仍受限于室温断裂韧性不足与高温抗氧化性欠佳，严重制约其加工性能与高温长期服役稳定性。合金化是应对上述问题的有效途径之一。为提升室温断裂韧性常引入Zr、Hf、Mo等元素；为增强高温抗氧化性常添加Cr、Al。但增韧元素通常无助于抗氧化，而抗氧化元素往往恶化断裂韧性，难以协同优化。近年高活性稀土元素添加受关注，Er、Ho、La、Nd、Ce、Y等均被报道可同时有益韧性与抗氧化，但多数研究仍偏重韧性，高温氧化速率偏高。稀土Yb在降低合金氧化速率方面作用显著，Guo等在β-NiAl于1200℃下比较多种稀土，同等浓度下Yb改善抗氧化性最突出；Zhang等证实Yb显著改善TiAl合金氧化行为。因此考虑稀土普遍具增韧特征，Yb掺杂有望同时提升Nb-Si基合金断裂韧性并大幅降低高温氧化速率。基于此，研究人员采用具较好韧性的Nb-24Ti-16Si（at.%）体系，引入抗氧化元素Cr、Al，设计Nb-24Ti-16Si-5Cr-5Al-xYb（x=0、0.15、0.3、0.5、0.8 at.%）合金，首次系统探究稀土Yb对Nb-Si基合金室温断裂韧性与高温抗氧化性的影响机制。结果表明，掺杂0.8 at.% Yb后室温断裂韧性KQ升至16.06 MPa·m1/2，较基体提高53.7%；1250℃氧化速率降低62.7%。相较既往研究，该合金综合性能更优，为开发兼具良好断裂韧性与高温抗氧化性的Nb-Si基合金提供了新合金化策略。
研究背景方面，Nb-Si基合金因低密度和优异高温力学性能被视为替代镍基高温合金（Ni-based superalloys）的涡轮叶片候选材料，其组织由铌固溶体（Nbss）与硅化物相构成，前者提供延性，后者贡献高温强度与抗氧化性。然而该体系仍存在室温断裂韧性不足与高温氧化速率偏高的瓶颈，传统合金化中增韧元素（Zr、Hf、Mo）与抗氧化元素（Cr、Al）作用互斥，难以协同优化；尽管Er、Ho、La、Nd、Ce、Y等稀土元素被报道可兼顾两项性能，但高温氧化速率仍距工程要求有差距。已有研究指出稀土Yb在β-NiAl与TiAl中抗氧化增益最显著，且稀土普遍具增韧特征，因此研究人员在Nb-24Ti-16Si（at.%）基础上引入Cr、Al与不同量Yb（0、0.15、0.3、0.5、0.8 at.%），首次系统揭示Yb对Nb-Si基合金韧性与氧化性的协同作用机制，成果发表于《Materials》。
关键技术方法上，研究人员通过真空非自耗电弧炉熔炼制备Nb-24Ti-16Si-5Cr-5Al-xYb铸锭并六次重熔保证成分均匀，采用电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）标定实际成分；利用X射线衍射（XRD）分析相组成，场发射扫描电镜（FESEM）背散射电子（BSE）模式观察显微组织与裂纹扩展路径，能谱（EDS）定点击穿各相成分；室温断裂韧性通过20×4×2 mm三点弯曲试样在Instron 5569上以0.2 mm/min加载获取KQ；氧化实验在1250℃下进行并借助树脂镶样结合BSE/EDS剖析氧化层截面。
研究结果部分，引言指出Nb-Si基合金优势与缺陷并存，稀土Yb因在β-NiAl与TiAl中表现最优而被选为协同改性元素。实验章节显示铸锭成分与名义设计吻合，Yb实际收得率略低于配料值（0.8Yb配料得0.75 at.%）。分析方法中明确了相组成、组织、韧性及氧化层表征链路。力学测试结果表明随Yb从0增至0.8 at.%，室温KQ由约10.44升至16.06 MPa·m1/2（增幅53.7%），且裂纹在Yb改性组织中呈现更曲折路径，Nb5Si3被显著细化并析出更多次生Nb5Si3，相界增多吸收断裂能。高温氧化结果显示1250℃下氧化速率随Yb量增加而下降，0.8Yb合金氧化速率较基体降低62.7%；氧化层截面分析表明Yb偏聚于相界并反应生成Yb3Al5O12，该石榴石结构相致密且化学稳定，显著抑制氧沿相界向内扩散，同时Cr、Al协同形成保护性氧化膜。
讨论与结论部分，研究人员指出Yb的协同增益来自双通道：凝固与固态转变中Yb作为表面活性元素拖曳晶界、促进Nb5Si3形核细化，次生硅化物分割Nbss基体从而迫使裂纹偏转分支，提升断裂功；氧化初期Yb向氧化前沿与相界偏析，与Al、O反应原位生成Yb3Al5O12封闭扩散通道，使抛物线氧化常数大幅下降。结论确认，在Nb-24Ti-16Si-5Cr-5Al体系中添加0.8 at.% Yb可在不牺牲强度前提下使室温断裂韧性提升53.7%、1250℃氧化速率降低62.7%，Yb是迄今兼顾Nb-Si基合金韧化与抗氧化的高效稀土微合金化元素，该工作为航空发动机涡轮叶片用Nb-Si基合金的合金设计提供了新策略。
