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(jié)構(gòu)的β鈮鈦固溶體合金具有比鎳基高溫合金更高的熔點(diǎn)、良好的室溫塑性和中溫強(qiáng)度，β鈮鈦合金力學(xué)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(qiáng)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(guān)注的一類新鈮合金。從高溫比強(qiáng)度、密度、塑-脆性轉(zhuǎn)變溫度幾個(gè)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(qiáng)度要求，前蘇聯(lián)和美國(guó)已研發(fā) 了50種已得到廣泛應(yīng)用的低密度鈮合金，如GE公司近來(lái)研發(fā)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(yè)鈮合金提高200～400℃。我國(guó)對(duì)低密度鈮合金的研究從2005年開(kāi)始，最近已成功研制出一種新型β鈮鈦合金，其熔點(diǎn)和密度可通過(guò)調(diào)整合金成分在較大范圍內(nèi)變化，為合金設(shè)計(jì)提供更大的空間。根據(jù) 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(shí)利用其較高比強(qiáng)度，可以減小部件壁厚，則部件重量會(huì)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(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)減重需求，對(duì)于需在 1100～1400℃范圍內(nèi)作為結(jié)構(gòu)材料的高負(fù)荷或長(zhǎng)期工作的部件來(lái)說(shuō)，由于 Nb-Ti β合金的高強(qiáng)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(qū)間需要。因此針對(duì)新型航天發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、推力室等熱端部件需求，本文對(duì)該新型低密度鈮鈦合金的熱處理工藝、力學(xué)性能、顯微組織，以及焊接和旋壓成形等工藝性能進(jìn)行了研究。
 

2.1 實(shí)驗(yàn)材料 

采用真空自耗電弧熔煉法制備NbTiAlCrV合金， 通過(guò)配料調(diào)整合金初始成分和配比，然后經(jīng)過(guò)真空自耗電弧爐兩次熔煉得到合金鑄錠，并進(jìn)行均勻化退火，經(jīng)擠壓、熱軋成板材。試驗(yàn)材料為再結(jié)晶狀態(tài)鈮鈦合金板材，見(jiàn)表1。

 

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

 

將鈮鈦合金板材分別在1110℃、1120℃及1140℃進(jìn)行1h保溫?zé)崽幚恚庸こ衫煸嚇雍徒鹣嘣嚇樱褂?Olympus PMG3光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察和分析， 在CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和超高溫力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)GB/T 228—2007 測(cè)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(cè)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(jī)設(shè)備上進(jìn)行焊接工藝性能試驗(yàn)，將鈮鈦合金板材加工成 420mm×420mm的試塊，在數(shù)控精密旋壓設(shè)備上進(jìn)行旋壓工藝性能試驗(yàn)。
 

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(cè)試鈮鈦合金密度，對(duì)三個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果分別為6.93g/cm3、6.94g/cm3、6.92g/cm3， 可見(jiàn)，合金密度約為6.93g/cm3左右。相對(duì)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(shí)利用其較高比強(qiáng)度，可以減小部件壁厚，則部件重量減少會(huì)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(nèi)作為結(jié)構(gòu)材料工作的發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)偏離率在-15%范圍內(nèi)，合金板材獲得的最大極限變薄率為50%左右，能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)噴管延伸段使用要求。

 

 

 

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