铌在超级耐热合金中的重要作用

铌在超级(耐热)合金中的重要作用

在商业用超级（耐热）合金中，镍基超耐热合金718，706和625在产量中占据非常突出的位置。实际上镍基超耐热合金产品主要是由这几种合金组成。这些合金中含铌量为3—5.5wt%。表1列出了最重要的含铌超级合金的化学成分：

表1---最重要含铌超耐热合金的正常化学成分（wt%）

合金Ni Nb Cr Co Mo W Ti Al Fe C 其它

Inconel 718 52.5 5.1 19.0 3.00.90.5 18.5

Inconel706 41.5 2.9 16.0 1.80.2 37.5 0.03

Inconel625 61.0 3.6 21.5 9.00.20.2 2.5 0.05

Rene88DT 56.5 0.7 16.0 13.0 4.0 4.0 3.7 2.1 0.03 0.015B

Rene95 61.0 3.5 14.0 8.0 3.5 3.5 2.5 3.5 <0.30.16 0.01B;0.05Zr Udimet630 50.0 6.5 17.0 3.0 3.0 1.00.7 18.0 0.04 0.004B Inconel 751 72.5 1.0 15.5 2.3 1.2 7.0 0.05 0.25max.Cu InconelX750 73.0 1.0 15.5 2.50.7 7.0 0.04 0.25max.Cu Alloy713C 74.0 2.0 12.5 4.20.8 6.1 0.12 0.12B;0.10Zr IN-738 61.0 0.9 16.0 8.5 1.7 2.6 3.4 3.4 0.17 0.01B;0.1Zr;1.7Ta MAR-M200 60.0 1.0 9.0 10.012.0 2.0 5.0 0.15 0.015B;0.05Zr Inconel 907 38.0 4.7 13.0 1.50.0342.0 0.15Si

Inconel909 38.0 4.7 13.0 1.50.0342.0 0.01 0.40Si

铌在超级（耐热）合金中的作用

铌在超耐热合金中的主要作用是固溶强化和析出强化。铌形成MC和M6C 形式的碳化物进而形成Ni3Nb 双强化相。铌在超耐热合金中由于固溶和Ni3Nb 双相析出强化明显地提高了抗蠕变强度。

Inconel718是1959年由Inco Alloys开发的，在镍基合金中加入铌是为了增加高温强度。其强化机理是热处理过程中在镍马氏体基体中析出金属间化合物（Ni3Nb）。虽然作为强化元素也可以用其它金属代替铌，但人们发现铌是唯一

能避免在最终产品制造过程中形成应变时效裂纹的元素，特别是在焊接过程中这一特点尤其明显。因为铌使失效反应减慢，使最终产品热应力释放而不形成裂纹。当时，718合金相对于其它沉淀强化的超合金显示了更好的性能，如Astroloy(Ni-15Cr-17Co-5.25Mo-4Al-3.5Ti-0.06C-0.03B)和Rene41(Ni-19Cr-11Co-10Mo-1.5Al-3.1Ti-0.09C-0.005B)。718合金在1200—1000F （649－538℃）范围内比Rene41和Astroloy合金具有更好的抗蠕变性能。暴露在此温度下的718合金的残余应力和韧性没有削弱。

就像其供应工业一样，由于得到通用电气的支持，在超过一代的时间里把718合金作为最重要的原料，致使718合金成为超耐热合金的基础。自Inco.公司首次开发40年来，718合金一直是镍基超耐热合金中最重要的全能合金。

含铌镍基超耐热合金的需求主要依靠航空发动机工业。但无论如何，这种依靠在最近几年有所降低，这主要是汽车发动机方面的应用。通用电器的F-发动机用Inconel706作为主壳。下一代H发动机将用需要更高含铌的Inconel718超级耐热合金。

虽然汽车工业消费镍基合金的量还很小，但由于新的行规和社会政策，多种领域（如高温情况）排气系统对合金提出了更高的要求，使得这些材料在汽车工业中显的越来越重要。Inconel625是其中的一种材料选择，并在汽车工业中已有多种应用。图1显示了718合金在航空发动机工业中的重要性。一个新型的发动机中所用的耐热合金（如Inconel718）的重量占其总重量的35%。

超级（耐热）合金工业中铌制品的消耗

镍基合金制造商以不同的形式消耗铌，这取决于他们的能力和合金的最终用途。氧化铌（Nb2O5）可以用在直接还原镍铌锭加热过程中减少废料的消耗，特别在生产Inconel718的情况下。中间产品可以作为母合金用于最终镍基合金的制造。真空级铌铁（66wt%Nb）和镍铌合金（66wt%Nb）作为母合金直接加入到冶炼炉中制造超耐热合金。这些母合金以高纯氧化铌作为原料。最终产品通过铝热反应获得。图2显示在清理后定尺前的2吨镍铌锭。铌金属可以用于一些特殊环境条件下的铸造合金。

用于超耐热合金的铌产品的供应商可以归纳为三个级别：

第一类是具有铌铁矿，钽矿或铈铌钙钛矿的公司。在这些公司中，氧化铌只

是一种副产品，并且产量主要取决于生产主产品（主要是钽）的矿的质量。另一个问题是氧化铌的质量不一定总能满足超耐热合金制造商的严格要求。

第二类是由中间商组成，这些企业没有自己的铌原料。他们需要标准铌铁或高纯氧化铌并将其转变成真空级母合金。

CBMM,（Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineracao）---设在美国匹兹堡Reference Metals Company,Inc. 的母公司，自己组成了第三类。从铌矿到最终产品全部包括（标准铌铁，高纯氧化铌，真空级铌铁，镍铌，铌金属，光学级氧化铌，催化剂专用铌化合物），CBMM是所有工业的铌产品最全面的供应商。不受限制的原料供应和生产能力超过世界对铌产品需求量的装备能力是其多年来保持铌产品稳定供应和市场价格稳定的关键因素。

1980年前，用于超耐热合金工业的铌只是从生产钽的副产品中获得。因此，价格和实用性受到钽的各种因素的影响。

在1980年，CBMM公司开始自己生产高纯氧化铌以供超耐热合金工业使用。最初的生产能力是每年2000吨，大约是世界氧化铌需求量的2倍。现在CBMM 每年的生产能力大约为2400吨。

制造氧化铌的技术开始用烧绿石代替过去的铌矿或钽矿，使氧化铌性能稳定，适用于耐热合金工业。

CBMM氧化铌车间开工前（1980），氧化铌的价格曾达到USD20/lb的记录，从那时起，氧化铌的价格就稳定在USD7.00/lb到USD9.00/lb之间。

虽然CBMM从1991年就生产真空级铌铁和镍铌合金，但在1996年，一个全新的设备开始投产以保证满足耐热合金工业对这些合金严格的技术要求。CBMM承诺连续和稳定地向耐热合金工业供应铌产品。铌在耐热合金中具有非常重要的作用，因此铌也会继续是耐热合金工业的重要原材料。