新型铌钨合金研制报告

新型铌钨合金研制报告

棒 材

铌钨合金棒材研究方法和技术路线

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1.关键技术 (1)固溶强化

固溶强化是铌合金强化的途径之一。钨、钼元素熔点高，原子半径与铌相接近形成固溶体，对提高铌的高温强度和入编性能有利。 (2)沉淀强化

加入锆等元素在一定温度下析出强化相，起到沉淀强化的作用。

铸锭涂

挤压

铸锭加涂加挤压检

铸锭

(3)加工强化

通过反复“”的加工方式增大总加工率已达到细化晶粒的作用，有效地改善了材料的内部组织，提高了材料的综合性能。

2.研究内容

2.1 铸锭化学成分对力学性能的影响

在铌基中加入少量的钨、钼等元素形成固溶体时对基体有强化作用，固溶强化是强化铌合金一个重要的手段。钨、钼的熔点高，原子半径与铌相接近形成固溶体时，对提高铌的高温强度和蠕变性能有利。Nb-W、Nb-Mo相图和原子半径差对铌强度影响见下图。

加入Zr、Y等微量元素所组成的化合物取代晶界的脆性相，减少晶界上非金属夹杂及间隙元素的聚集，改善合金组织，可提高合金的耐热性、塑性，是合金易成型。由于新型铌合金添加多种元素，要求铸锭成分均匀，元素含量控制在要求范围之内(铌钨合金铸锭化学成分见表1-2) 2.2 工艺对比试验和工艺参数

2.2.1 锻造开坯工艺

新型铌钨合金铸锭采用中频机组感应加热，升温速度较快，加热过程中会导致表面与中心之

间形成很大的温度差，造成很大的热应力。锻造时易产生裂纹，在以后加工中便产生应力集中，导致裂纹的形成和扩展。一般采用分段加热，保温，以免温差过大产生热应力，减小开裂程度。锻造工艺流程及工艺参数见表2-1

表2-1 Nb-W-Mo-Zr工艺流程及工艺参数

序号设备名称工序技术参数备注

1 90KW电阻炉加热200℃涂防氧化层

2 200KW中频电源加热1250℃/14分钟

3 1吨锻锤镦粗镦粗比1.42

4 1吨锻锤拔长锻造比1.38

5 200KW中频机组加热1250℃/6分钟

6 1吨锻锤镦粗镦粗比1.63

7 1吨锻锤拔长锻造比1.25

8 1吨锻锤拔长锻造比2.97

9 200KW真空退火炉消除应力退火

960℃/60分、5×10-2Pa 1150℃/60分、5×10-2Pa

10 200KW真空退火炉再结晶退火1450℃/60分、5×10-2Pa

11 检测

对Nb-W-Mo-Zr-03-04批次锻造严重开裂进行分析，其铸锭组织是粗大的柱状晶组织，而且有害杂质聚集在晶界，削弱了晶间强度。且在铸造时产生的铸造应力及成分偏析，锻造前没有很好的热处理，锻造时铌钨合金锭很容易开裂，甚至整个铸锭报废。铸锭开裂情况见如下照片，2-4、2-5.

新型铌钨合金棒材锻造加工工艺及工艺参数基本相同，由于样品要求直径较大，但铸锭较小，固采取镦粗→拔长→镦粗→退火→挤压→锻造等工序，增大加工率，提高力学性能。当总加工率为80-98%，方能保证了室温和高温力学性能。

开始时因设备温度限制，无法提高均匀化温度及热处理温度，由于温度过低故组织结晶效果不太好。后来经过试验确定锻造、挤压开坯为1250℃-1400℃加热，保温15-20分钟左右；最终样品960℃-1210℃保温1小时消除应力退火，1420℃-1550℃保温1小时再结晶退火。退火温度不同，σb

、σ0.2随温度的提高而下降，δ随退火温度的提高而提高，见如下表2－2

表2－2 新型铌钨合金棒材不同退火温度力学性能比较

编号退火温

度/℃

σb∕

Mpa

σ0.2∕

Mpa

δ∕%

Nb521-02-12

硬态531.35 480.75 16.6 960℃

/1h

526.0 451.5 18.2 1150℃

/1h

488.2 385.2 17.3 1320℃442.85 339.9 19.2

/1h

1450℃

/1h

436.0 355.9 19.2

图2－5新型铌钨合金棒材不同退火温度与力学性能的关系

为了减少锻造开裂程度，Nb521-04-15批次采取了铸锭热处理工序，以达到消除铸造应力和降低铸锭硬度目的。镦粗拔长时发现开裂，立即停止锻造，切除裂纹，增加热处理工序，再进行镦粗拔长。经过变形的坯料，粗大的柱状晶得到一定程度的破碎，内部组织得到改善（见照片9）,强度性能和成品率均得到提高，力学性能对比见表2－3。对Nb521-04-15批次棒材心部，中部和边部分别测试力学性能，其结果差别不大（见表2－4）。

表2－3力学性能对比

批号状态

力性

备注σb∕Mpa σ0.2∕Mpa δ∕%

02－12c

硬态531.35 480.75 16.6

室温

04－15 593.4 439 28

02－12

退火态436.0 355.9 19.2 1450℃/1h真空

退火

04－15 482.8 352.1 33.3

02－12c

高温131 125 29.1

1600℃

04－15 136 131 27.7

表2－4 Nb521-04-15批次心部力学性能测试结果

编号取样部位状态

力学性能

σb∕

Mpa

σ0.2

∕

Mpa

δ

∕%

1 中心硬态602.8 467.8 26.0 34.5

2 中心硬态594.7 463.6 25.7 36.9

3 中心硬态592.6 463.6 24.3 34.1

4 边部硬态615.

5 487.3 27.7 31.4

2.3.2.2挤压开坯工艺

在三向应力状态下挤压棒材，有利于塑性差的稀有金属变形，经过大变形量变形，使晶粒充分破碎，改善金属综合性能。挤压过程中温度变化不大，变形均匀，保证了材料性能的一致性，且减少了开裂程度，提高了材料的成材率。因而从16批次开始挤压开坯工艺研究，其工艺流程及工艺参数见表2－5。