高碳铌钨合金 HCNB521的生产工艺研究

发布时间:

2025-04-18

摘要：对高碳铌钨合金ＨＣＮｂ５２１烧结条进行二次电子束熔炼，以控制合金的碳、锆及气体含量。分析了熔炼锭高温退火处理后的显微组织，并对比了高碳铌钨合金ＨＣＮｂ５２１及普通铌钨合金Ｎｂ５２１板材的力学性能。研究结果表明，碳含量的增加使铌钨合金中形成较多的第二强化相，提高了铌钨合金的强度；电子束熔炼可有效地控制铌钨合金锭坯的成分含量；高碳铌钨合金的材料力学性能较普通铌钨合金稍有提高。

１前言

材料是航天事业的基础，随着航空航天业的不断发展，市场对高温合金的需求出现了多元化，对其实际应用和性能提出了更高的要求。最早研究的高温合金用于航天发动机的涡轮燃烧室内，而高碳铌钨合金ＨＣＮｂ５２１是在铌钨合金（Ｎｂ５２１，Ｎｉ－５Ｗ－２Ｍｏ－１Ｚｒ）基础上研制的一种高温合金，高温使用温度得到了很大的提升，并且对用在铌钨合金上的高温抗氧化涂层（硅化钼）的粘合情况有很好的改善［１，２］。此合金是通过两次电子束熔炼再经挤压工序得到后续加工用挤压坯料，后通过锻造及轧制工序得到合格的板棒材产品。

目前许多发达国家对发动机提出更高的要求，推重比增加，零件数目减少，零件寿命增加，耐久度增加，因此对所使用材料的要求更严格。铌钨合金的应用使得推力室的工作温度提高到１５５０ ℃，从而能更好地应用于航空航天事业。本文通过对高碳铌钨合金组织性能的研究，使得铌钨合金性能得到更好的发挥，不仅用于发动机的高温推力室，也广泛应用于其他高速飞行器，是目前高温铌合金应用的新突破。

２实验

２．１原料

本实验原料为高碳铌钨合金烧结条，其主要化学成分见表１。

２．２实验过程

将成分合格的高碳铌钨合金烧结条按气体及金属成分含量比例进行配料，用氩弧焊箱对烧结条进行焊接制作电极，电极制作规格为１００ｍｍ×１００ｍｍ×１５００ｍｍ，为了使得高碳铌钨合金的成分更加均匀，用５００ｋＷ电子束炉（ＥＢ）进行两次熔炼，一次熔炼锭直径为１６０ｍｍ，二次熔炼锭直径为２２０ｍｍ。电子束熔炼可有效地控制气体及杂质的含量，对铌钨合金锭有很好的提纯作用，但其缺点是熔炼锭中心晶粒会沿垂直轴向长大，中心晶粒往往比较粗大，而传统的电弧熔炼方式对材料的合金均匀化有利，但增加了合金的气体成分含量（熔炼一次氧含量约增加６０×１０－６）。

电子束二次熔炼锭经过机加工表面处理，将铸锭表面熔炼过程中产生的气孔及各种熔炼缺陷处理干净，然后用３ｍｍ厚４５＃钢进行包套后，放入加热炉中加热到１２７０ ℃并保温５～８ｍｉｎ，转入热挤压机中以３００ｍｍ／ｓ的挤压速率、近似于４倍挤压比进行热挤压，得到Ｄ１２０ｍｍ成品挤压锭。

２．３样品检测仪器

ＧＱ—２ＥＳ型碳硫高速分析仪，ＣＡＡＭ—２００１型原子吸收分光光度计，ＮｏｖａＮａｎｏＳＥＭ型扫描电镜以及室温和高温拉伸机。

３结果与分析

３．１铸锭的化学成分

对高碳铌钨合金两次熔炼锭的上、中、下三个部位进行主要化学成分分析，结果见表２。对比表１和表２数据可以看出，通过电子束熔炼后合金中碳、锆的含量随熔炼次数的增加明显降低，而钨、钼的含量变化极小，在熔炼过程中可不考虑。由于电子束熔炼是对金属的提纯过程，因此氧含量在高碳铌钨合金条中基本确定是符合要求的［１］。

３．２铸锭的显微组织

经相同高温热处理（１３２０ ℃×９０ｍｉｎ）的普通铌钨合金Ｎｂ５２１及高碳铌钨合金ＨＣＮｂ５２１的显微组织见附图。高碳铌钨合金中碳化物的强化相是弥散分布的（Ｎｂ，Ｚｒ）Ｃ和Ｎｂ２Ｃ，用Ｘ射线衍射方法对材料的碳化物进行标定，其结果是ＺｒＣ在高碳铌

钨合金中起强化作用［２］。在不同温度、相同保温时间下碳化物的析出量也不一样，使得材料高温强度有较大提高。对于高碳铌钨合金（ＨＣＮｂ５２１）采取以下实验：在板坯厚７ｍｍ以及成品厚１ｍｍ条件下分阶段进行高温退火处理。在合金加工过程中分

阶段高温退火可获得均匀化热处理效果；随着加工速率的增大，退火时间逐渐缩短，可促进弥散强化相的均匀分布。

　　从附图可以看出，在相同热处理条件下，高碳铌钨合金ＨＣＮｂ５２１及普通铌钨合金Ｎｂ５２１均为不完全结晶态，而高碳铌钨合金更能明显地看出细小的碳化物分布晶界，这些碳化物在高温变形时起到钉扎晶界和位错，提高板材高温强度的作用［３］。

３．３高碳铌钨合金加工材的力学性能

实验中得到的高碳铌钨合金ＨＣＮｂ５２１板材及普通铌钨合金Ｎｂ５２１板材的力学性能指标见表３。

　由表３数据可知，两者性能差别并不是很大，高碳铌钨合金的强度小幅提高，抗拉强度和屈服强度高于Ｃ－１０３铌铪合金之类的材料，有利于提高燃烧室的使用温度［４］。

４结论

（１）碳含量的增加使铌钨合金中形成较多的第二强化相，铌钨合金强度提高。

（２）电子束熔炼铌钨合金锭可有效控制锭坯的成分含量。

（３）高碳铌钨合金板材获得的材料力学性能稍有提高。

论文引用信息:

第４４卷第１期

２０１６年２月

稀有金属与硬质合金

ＲａｒｅＭｅｔａｌｓａｎｄＣｅｍｅｎｔｅｄＣａｒｂｉｄｅｓ

Ｖｏｌ．４４ №．１

Ｆｅｂ．２０１５

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工艺制备，具有高纯低氧、球形度高、表面光滑、无卫星、粒度分布均匀、流动性能优良、疏松密度和振实密度高等特点。

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。

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