隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，渦輪進(jìn)口溫度不斷提高。推重比15~20一級(jí)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度將要提高到2050~2150K，渦輪葉片材料本身承溫能力，也要求由1050~1100°C，提高到1150~1300°C。目前使用的Ni基單晶高溫合金難以滿足這一條件。新一代超高溫結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)勢在必行。針對未來高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)對材料的要求，必須開發(fā)新的耐高溫、高比強(qiáng)、具有良好的抗氧化能力和加工工藝性能的材料。相對于其他可選的超高溫結(jié)構(gòu)材料，難熔金屬間化合物Nb-Si基超高溫合金具有高熔點(diǎn)（高于1750°C）、低密度（6.6~7.2g/cm3）、良好的高溫強(qiáng)度和可加工性，以及一定的斷裂韌性、疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望取代第3代Ni基單晶高溫合金的候選材料。超高溫結(jié)構(gòu)材料對綜合性能要求十分苛刻，必須平衡高溫強(qiáng)度、蠕變抗力、室溫韌性、抗氧化性和密度等各種相互矛盾的性能指標(biāo)。在一個(gè)合金體系中，單相組織難以滿足這樣的要求，強(qiáng)度、韌性和環(huán)境穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能需要依靠不同相承擔(dān)。因此，Nb-Si基合金研發(fā)工作的關(guān)鍵點(diǎn)就是進(jìn)行多相組織匹配設(shè)計(jì)，從而獲得強(qiáng)韌性及抗氧化性能的良好配合。
一、室溫韌性
Nb-Si基合金中延性相Nb固溶體是主要增韌相。Nb-Si基合金的斷裂韌性不僅依賴于延性相Nb固溶體的體積分?jǐn)?shù)，也與Nb固溶體的幾何特征及形態(tài)分布有關(guān)。以初生枝晶形貌為主的Nb固溶體，其不發(fā)達(dá)的枝晶主干與細(xì)長的二次枝晶臂均起不到好的增韌作用，且會(huì)破壞熱處理組織的均勻性。另一方面，大尺寸的初生Nb5Si3以四方形橫截面形貌存在，在斷裂過程中會(huì)成為裂紋源和裂紋擴(kuò)展通道，不利于斷裂韌性的提高。Nb固溶體呈規(guī)則網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，Nb5Si3以孤立增強(qiáng)相均勻分布其中，Nb/Nb5Si3晶界大量增加，則可以增大裂紋通過共晶區(qū)域受到的抵抗程度，使斷裂韌性得到提高。
二、高溫強(qiáng)度
Nb-Si基合金的高溫強(qiáng)度隨著硅化物體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，為保證Nb-Si基合金的高溫強(qiáng)度，硅化物體積分?jǐn)?shù)需在35%以上。固溶強(qiáng)化是提高其高溫強(qiáng)度的有效手段之一。Hf、W、Mo對Nb-Si基合金均有顯著的固溶強(qiáng)化作用，可以明顯提高材料的強(qiáng)度和抗蠕變性能，其中Hf在提高合金高溫強(qiáng)度的同時(shí)并不降低其室溫韌性。
三、抗氧化性能
純Nb合金的抗氧化性能較差，易氧化成Nb2O5，不能提供保護(hù)基體的能力，并且容易開裂剝落。雖然硅化物的抗氧化性能遠(yuǎn)高于Nb固溶體，但在超高溫條件下也會(huì)發(fā)生氧化，且難以形成連續(xù)的保護(hù)性氧化膜。通過合金化，引入抗氧化性能優(yōu)異的Cr2Nb，可以顯著提高合金高溫抗氧化性能。
目前，Nb-Si基合金的室溫韌性、高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能等單項(xiàng)指標(biāo)基本能達(dá)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的應(yīng)用要求，但是尚難實(shí)現(xiàn)這三者之間的綜合匹配。尋求更合適的組織控制途徑，實(shí)現(xiàn)室溫韌性、高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能的綜合匹配，是Nb-Si基超高溫合金研發(fā)的關(guān)鍵所在。