新型低密度 Nb-Ti 合金组织及性能研究

                                                新型低密度 Nb-Ti 合金组织及性能研究

      结构的β铌钛固溶体合金具有比镍基高温合金更高的熔点、良好的室温塑性和中温强度，β铌钛合金力学性能好，在铌中加入大量的Ti、少量的Al、Hf 和Cr，可大大提高铌合金的抗氧化性能，其中铌固溶体有增韧作用，金属间化合物则可提高高温强度，低密度的Nb-Ti-Al系合金由于其低密度、易加工性和较好的抗氧化性成为引人关注的一类新铌合金。从高温比强度、密度、塑-脆性转变温度几个方面考虑，β铌 钛固溶体合金是最有希望成为650～1350℃使用的候选材料。按温度和强度要求，前苏联和美国已研发 了50种已得到广泛应用的低密度铌合金，如GE公司近来研发的一系列β铌钛合金，在同等氧浓度下其工作温度可以比商业铌合金提高200～400℃。我国对低密度铌合金的研究从2005年开始，最近已成功研制出一种新型β铌钛合金，其熔点和密度可通过调整合金成分在较大范围内变化，为合金设计提供更大的空间。根据 Ti 加入量的不同 ， 这些合金的密度 一 般为 6.2～ 6.9g/cm3，而高温合金的密度一般为8.1～8.6g/cm3，与高温合金部件相比，铌钛基合金部件的重量可减少 15%～25%，同时利用其较高比强度，可以减小部件壁厚，则部件重量会减少更多。
 

 

一般高温合金使用最高温度约 1100℃，铌铪 （钨）合金使用最高温度在 1400℃及以上，但铌铪（钨） 合金密度大（一般为 8.9g/cm3 左右），不适合新型航天发动机型号减重需求，对于需在 1100～1400℃范围内作为结构材料的高负荷或长期工作的部件来说，由于 Nb-Ti β合金的高强度、高韧性、低密度以及较好的抗氧化性，能够较好地满足这些部件在此温度区间需要。因此针对新型航天发动机喷管、推力室等热端部件需求，本文对该新型低密度铌钛合金的热处理工艺、力学性能、显微组织，以及焊接和旋压成形等工艺性能进行了研究。
 

2.1 实验材料 

采用真空自耗电弧熔炼法制备NbTiAlCrV合金， 通过配料调整合金初始成分和配比，然后经过真空自耗电弧炉两次熔炼得到合金铸锭，并进行均匀化退火，经挤压、热轧成板材。试验材料为再结晶状态铌钛合金板材，见表1。

 

2.2 实验方法

 

将铌钛合金板材分别在1110℃、1120℃及1140℃进行1h保温热处理，加工成拉伸试样和金相试样，使用 Olympus PMG3光学金相显微镜进行组织观察和分析， 在CMT5105电子万能试验机和超高温力学性能试验机上依据GB/T 228—2007 测试室温、高温拉伸性能。在铌钛合金成品板材上线切割切取3mm×5mm×5mm 的小块，采用排水法测试合金密度，将铌钛合金板材加工成100mm×100mm的试块，在HDW-12电子束焊机设备上进行焊接工艺性能试验，将铌钛合金板材加工成 420mm×420mm的试块，在数控精密旋压设备上进行旋压工艺性能试验。
 

3.2 铌钛合金的显微组织及性能

3.2.1 铌钛合金的密度

 

采用排水法测试铌钛合金密度，对三个试样进行测试，结果分别为6.93g/cm3、6.94g/cm3、6.92g/cm3， 可见，合金密度约为6.93g/cm3左右。相对于密度较高的高温合金部件，铌钛基合金部件的重量可有效减少， 同时利用其较高比强度，可以减小部件壁厚，则部件重量减少会更多。 
 

a. 研究出了一种新型低密度（6.9g/cm3）铌钛合金， 获得了较佳热处理制度。 

 

b. 该铌钛合金具有良好室温塑性和高温性能，可满足1100～1400℃范围内作为结构材料工作的发动机部件。

 

 

c. 该铌钛合金具有良好的焊接、旋压性能，控制壁厚的负偏离率在-15%范围内，合金板材获得的最大极限变薄率为50%左右，能满足发动机喷管延伸段使用要求。

 

 

 

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