Ti3Al基合金与Nb521铌合金的电子束焊接

发布时间:

2025-08-12

随着航空航天技术的发展，先进飞行器发动机喷嘴入口温度要求不断提高，同时重量也要求不断减轻。铌合金的使用温度高，但密度大且价格高；钛合金密度小，价格低，但使用温度低。单纯采用铌合金或钛合金都无法满足飞行器的要求，所以迫切需要一种既能耐高温又能减轻重量的方案，最便捷有效的方式就是把这两种合金焊接成一种组合材料，可达到把铌合金和钛合金的优点结合起来的效果。目前，对于钛合金与铌合金的焊接报道主要是钛合金与C-103铌合金的电子束焊接-3]。

Ti3Al基合金不但具有耐高温、抗氧化、密度低（4.7g/cm²）的特性，且弹性模量、抗蠕变性能比Ti基合金好的多，在高温领域它是替代钛合金的一种很有潜力的材料[4-5]。Nb521铌合金（Nb-W-Mo-Zr）是一种新型的铌合金，其高温强度优于常用的C-103铌合金，性能比较见表1凹。将Ti3Al基合金与Nb521铌合金连接起来制成飞行器发动机，可获得更优异的高温性能，提高发动机的推重比。因此，研究两者之间的电子束焊接对航空航天领域有重要意义。1试验材料及方法

试验所用材料为钢铁研究总院研制开发的Ti3Al基合金（Ti-23Al-17Nb，at%）和西北有色金属研究所研制开发的Nb521铌合金，供货方提供了2种材料的化学成分与力学性能，见表2~表4。

焊接设备采用德国某公司生产的EBW70015/150电子束焊机。焊接后，使用Leica显微图像分析仪对焊接区域的金相组织特征进行观察分析。采用S-4700N扫描电镜进行显微组织观察，并利用附带的能谱装置（EDS）对表面成分进行分析。使用WE-10B液压万能材料试验机测试焊接试样的抗拉强度与延伸率。

2 电子束焊接工艺

Ti3Al基合金、Nb521铌合金2种材料均选取Φ20mm的棒材，通过机械加工为外径14mm、内径11mm的管状对接试样，见图1。焊前接头用丙酮清洗，去除油污，烘干。通过V铁定位点焊固定，然后进行真空电子束焊接。

焊接过程按束流曲线分两步完成，见图2。首先使用5.2mA的束流进行电子束焊接，然后使用2.0mA的束流进行修饰焊接。电子束焊接的其余参数为：加速电压150kV，聚焦电流370mA，焊接速度11mm/s，真空度1×10°Pa；修饰焊接的其余参数为：加速电压150 kV，聚焦电流 380mA，焊接速度11mm/s，空度1x10' Pa。3 结果与分析

3.1焊接接头金相组织分析

焊接前2种母材的显微组织见图3，Ti3Al基合金由等轴α2相和富铌β相组成；Nb521铌合金为单相固溶体组织，晶粒尺寸在20~100μm，大小不等。焊缝截面金相组织见图4，熔合区为急冷的铸态组织，有枝晶花样；Ti3Al基合金侧热影响区的组织特征变化不明显，Nb521铌合金侧热影响区的晶粒较母材略微增大，且不易腐蚀清楚，见图5。

3.2 焊缝部位的EDS成分分析

焊缝截面的背散射电子像见图6，明显存在着成分不均匀区域。在焊缝截面选取了5个典型位置进行了EDS成分分析，其结果见表5，可看出图6b中1区、5区的重元素Nb含量较高，3区Ti含量较高，焊缝中存在较大的成分不均匀现象。3.3焊接试样的室温拉伸性能分析

焊接试样的室温抗拉强度和延伸率见表6，断口照片见图7。可看出：断裂发生在母材Nb521铌合金一侧，焊接接头的室温抗拉强度优于母材Nb521铌合金，上述焊缝部位的成分不均匀对室温抗拉强度的影响不敏感；此外，焊接试样的延伸率介于Ti3A1基合金和Nb521铌合金之间，表现出较好的塑性。

4 结论

（1）采用真空电子束焊接的方法成功焊接了Ti3Al基合金和Nb521铌合金，焊缝熔合区为急冷的铸态组织，有枝晶花样，存在较大的成分不均匀现象。

(2)Ti3Al基合金和Nb521铌合金焊接试样的室温抗拉强度o=477MPa，延伸率62o=13.8%，且断裂发生在母材Nb521铌合金一侧，表明焊接接头的抗拉强度优于母材Nb521铌合金，且具有较好的塑性。

论文引用信息

第14 届全国特种加工学术会议论文集

铌钨合金Nb521材料具有优良的室温、高温力学性能和高熔点、低密度、高温高强度和可加工性能好的优点。

星尘科技生产的球形Nb521合金粉采用射频等离子体球化法制成，具有高纯度低氧、球形度高、表面光滑、无卫星、粒度分布均匀、流动性能优良、松装密度和振动密度高等特点。

铌钨合金Nb521广泛应用于航空航天发动机、武器推进器、火箭导弹液体双组元发动机、核反应堆、潜水器、燃气涡轮机、汽车发动机、柴油发动机、高温炉加热带、高温模具、高温夹具、高温坩埚的制造上。http://www.stardusttech.cn/products_det/109.html

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