新型低密度 Nb-Ti 合金組織及性能研究

                                                新型低密度 Nb-Ti 合金組織及性能研究

      結構的β鈮鈦固溶體合金具有比鎳基高溫合金更高的熔點、良好的室溫塑性和中溫強度，β鈮鈦合金力學性能好，在鈮中加入大量的Ti、少量的Al、Hf 和Cr，可大大提高鈮合金的抗氧化性能，其中鈮固溶體有增韌作用，金屬間化合物則可提高高溫強度，低密度的Nb-Ti-Al系合金由于其低密度、易加工性和較好的抗氧化性成為引人關注的一類新鈮合金。從高溫比強度、密度、塑-脆性轉變溫度幾個方面考慮，β鈮 鈦固溶體合金是最有希望成為650～1350℃使用的候選材料。按溫度和強度要求，前蘇聯和美國已研發 了50種已得到廣泛應用的低密度鈮合金，如GE公司近來研發的一系列β鈮鈦合金，在同等氧濃度下其工作溫度可以比商業鈮合金提高200～400℃。我國對低密度鈮合金的研究從2005年開始，最近已成功研制出一種新型β鈮鈦合金，其熔點和密度可通過調整合金成分在較大范圍內變化，為合金設計提供更大的空間。根據 Ti 加入量的不同 ， 這些合金的密度 一 般為 6.2～ 6.9g/cm3，而高溫合金的密度一般為8.1～8.6g/cm3，與高溫合金部件相比，鈮鈦基合金部件的重量可減少 15%～25%，同時利用其較高比強度，可以減小部件壁厚，則部件重量會減少更多。
 

一般高溫合金使用最高溫度約 1100℃，鈮鉿 （鎢）合金使用最高溫度在 1400℃及以上，但鈮鉿（鎢） 合金密度大（一般為 8.9g/cm3 左右），不適合新型航天發動機型號減重需求，對于需在 1100～1400℃范圍內作為結構材料的高負荷或長期工作的部件來說，由于 Nb-Ti β合金的高強度、高韌性、低密度以及較好的抗氧化性，能夠較好地滿足這些部件在此溫度區間需要。因此針對新型航天發動機噴管、推力室等熱端部件需求，本文對該新型低密度鈮鈦合金的熱處理工藝、力學性能、顯微組織，以及焊接和旋壓成形等工藝性能進行了研究。
 

2.1 實驗材料 

采用真空自耗電弧熔煉法制備NbTiAlCrV合金， 通過配料調整合金初始成分和配比，然后經過真空自耗電弧爐兩次熔煉得到合金鑄錠，并進行均勻化退火，經擠壓、熱軋成板材。試驗材料為再結晶狀態鈮鈦合金板材，見表1。

 

2.2 實驗方法

將鈮鈦合金板材分別在1110℃、1120℃及1140℃進行1h保溫熱處理，加工成拉伸試樣和金相試樣，使用 Olympus PMG3光學金相顯微鏡進行組織觀察和分析， 在CMT5105電子萬能試驗機和超高溫力學性能試驗機上依據GB/T 228—2007 測試室溫、高溫拉伸性能。在鈮鈦合金成品板材上線切割切取3mm×5mm×5mm 的小塊，采用排水法測試合金密度，將鈮鈦合金板材加工成100mm×100mm的試塊，在HDW-12電子束焊機設備上進行焊接工藝性能試驗，將鈮鈦合金板材加工成 420mm×420mm的試塊，在數控精密旋壓設備上進行旋壓工藝性能試驗。
 

3.2 鈮鈦合金的顯微組織及性能

3.2.1 鈮鈦合金的密度

采用排水法測試鈮鈦合金密度，對三個試樣進行測試，結果分別為6.93g/cm3、6.94g/cm3、6.92g/cm3， 可見，合金密度約為6.93g/cm3左右。相對于密度較高的高溫合金部件，鈮鈦基合金部件的重量可有效減少， 同時利用其較高比強度，可以減小部件壁厚，則部件重量減少會更多。 
 

a. 研究出了一種新型低密度（6.9g/cm3）鈮鈦合金， 獲得了較佳熱處理制度。 

b. 該鈮鈦合金具有良好室溫塑性和高溫性能，可滿足1100～1400℃范圍內作為結構材料工作的發動機部件。

c. 該鈮鈦合金具有良好的焊接、旋壓性能，控制壁厚的負偏離率在-15%范圍內，合金板材獲得的最大極限變薄率為50%左右，能滿足發動機噴管延伸段使用要求。