1、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 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。(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
2、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
3、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190KW电阻炉加热200涂防氧化层2200KW中频电源加热1250/14分钟31吨锻锤镦粗镦粗比1.4241吨锻锤拔长锻造比1.385200KW中频机组加热1250/6分钟61吨锻锤镦粗镦粗比1.6371吨锻锤拔长锻造比1.2581吨锻锤拔长锻造比2.979200KW真空退火炉消除应力退火960/60分、510-2Pa1150/60分、510-2Pa10200KW真空退火炉再结晶退火1450/60分、510-2Pa11检测对Nb-W-Mo-Zr-03
4、-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1
5、5-20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，b、0.2随温度的提高而下降，随退火温度的提高而提高，见如下表22表22 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/bMpa0.2Mpa%Nb521-02-12硬态531.35480.7516.6960/1h526.0451.518.21150/1h488.2385.217.31320/1h442.85339.919.21450/1h436.0355.919.2图25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
6、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23。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24）。表23力学性能对比批号状态力性备注bMpa0.2Mpa%0212c硬态531.35480.7516.6室温0415593.4439280212退火态436.0355.919.21450/1h真空退火0415482.8352.133.30212c高温
7、13112529.11600041513613127.7表24 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bMpa0.2Mpa%1中心硬态602.8467.826.034.52中心硬态594.7463.625.736.93中心硬态592.6463.624.334.14边部硬态615.5487.327.731.42.3.2.2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
8、研究，其工艺流程及工艺参数见表25。表24 Nb521-04-16批工艺流程及工艺参数序号设备名称工序技术参数加工尺寸1真空炉热处理130014分钟保温，真空510-2Pa2焊包套焊封360KW中频炉加热125020分钟4挤压机挤压3150吨，突破压力240kg/cm2，5酸洗6真空炉热处理130060分钟保温，真空510-2Pa7涂层700涂氧化层8100KW中频炉加热9锻锤锻造两火锻造。10酸洗10-15HF+3035HNO3+余水11真空炉热处理1450160060分钟12检测通过计算挤压力，同时对挤压设备状况、加热温度、降低摩擦力等条件的综合考虑，使4批次挤压试验很顺利，挤压棒表面较好
9、，无开裂现象，而且挤压开坯棒材的综合力学性能较好，Nb521-04-16挤压态和退火态棒材力学性能见表26表26 Nb521-04-16挤压态和退火态棒材力学性能状态取向力性备注bMpa0.2Mpa%挤压态纵向565.76455.6536.15平均值横向474.2412.53.35退火态纵向414.7263.1536.5棒材经挤压、热处理、涂层、加热、镦粗、拔长至样品毛坯尺寸，采取不同的热处理温度进行综合性能数据测试，其力学性能和物理性能均超过技术要求。由于加工率较大，样品均在一定温度热处理后达到完全再结晶（退火组织见图2.6）。Nb521-04-16综合性能见表27表27Nb521-04-1
10、6综合性能状态性能bMpa0.2Mpa%E密度硬度硬态628.8526.520.415380044.61731210退火498.4378.428.817710055.21500退火331.9212.528.46720044.68.39/cm31351600高温11811629.88650094.52.3.2.3 变形温度、变形程度、变形速度对新型铌钨合金的影响 在铌中添加5W、2Mo、1Zr，起到强化基体的作用，在常温下很难塑性变形，根据现有设备条件，采取加热锻造和挤压相结合实验。在热加工时，一般在结晶点温度以上加工，在此温度下，材料变形抗力低，可采用大变形量，充分破碎铸造组织，变形量在80以
11、上，在规定的变形温度范围内，采用合适的变形程度和变形速度，铸造组织基本破碎，其抗拉强度有所提高。变形速度很快时，不仅变形抗力提高，而且会出现温度的不均匀，从而裂纹产生或性能恶化。在铸造过程中必须控制其锻打的快慢和轻重，一般开始时，轻快打达到一定变形后方可加重锤击，保证铌合金锻件温度的均匀性和较高的加工塑性。在试验中。由于变形速度过高，影响加工塑性，为此在加工过程中必须考虑加热温度、变形热效应、变形程度、变形速度之间的关系。这些条件直接影响铌合金的组织与性能。2.4 棒材综合性能分析与对比2.4.1 力学性能2.4.1.1 锻造开坯新型铌钨合金棒材力学性能测试室温和高温力学性能均达到要求的标准，
12、在1600时的高温力学性能比较稳定，高温抗拉强度在120130Mpa之间。不同批次铌钨合金棒材不同状态室温和高温力学性能对比见如下表28、表29、表210。Nb521-02-12B不同温度弹性模量曲线见图27.表28 Nb521-02-12C不同退火温度的室温力学性能编号退火温度/bMpa0.2Mpa%Nb521-02-12硬态531.35480.7516.613201h442.85339.919.214501h436.0355.919.2表29 Nb521-02-12C不同退火温度的高温力学性能序号状态试验温度/0.2MpabMpaEt/Gpa5%1Nb521-02-12C9601h1600
13、12513183.529.12170097.910373.831.63180057.460.870.037.61Nb521-02-12C14501h160011711975.528.72170084.990.569.732.23180058.362.664.134.4表210 Nb521-02-12棒材加工态不同试验温度下的拉伸测试结果试验温度/0.2MpabMpaEt/Gpa5%100037238612318.3120031030810918.4140019119189.622.41500169172.586.4522160011712183.225.41700100.510469.8526
14、.45180052.454.36336.2图27 26页2.4.1.2 挤压开坯新型铌钨合金棒材力学性能测试 挤压开坯加工工艺新型铌钨合金棒材室温和高温力学性能均达到协议要求，并且性能达到一致性和稳定性。挤压态力学性能见表211。在超高温蠕变试验机上测试了Nb521-18RD棒材的高温蠕变性能，测试条件：环境温度20，测试介质为真空，保温时间30分钟。升温速率为30/分。测试数据见表212，蠕变曲线见图28。表211 Nb521-04-16棒材力学性能状态0.2MpabMpa5%Et/Gpa备注硬态631.6549.719.116340042平均值消除应力501.1387.9524.21469
15、0057.3软态333.7263.6525.87038543.5高温11811629.89650094.51600样品编号试样尺寸实验后标距长（mm）温度（）蠕变时间（h）应力（Mpa）试验时总蠕变稳态蠕变速率断裂与否NinRB1600150.003.382.9250.301600334.50.0610否NinRB1600150.043.402.9050.481600334.50.0350否2.4.1.3 国内外铌钨合金棒材力学性能对比 表213是国内外铌钨合金棒材力学性能对比表。从表中可以看出新型铌钨合金棒材力学性能超过了苏联5BMU和国内同行水平。在1600时的力学性能比WC103力学性能
16、高出近4倍数据和曲线对比参照图29、210。表213 国内外铌钨合金棒材力学性能对比表规格室温10001100120014001500160017001800NbW合金b （Mpa）520620700.2 （Mpa）420520（%）205BMUb （Mpa）400-450130-18060-7040-650.2 （Mpa）350-400120-17060-9040-60（%）320-36030-3560-8035WC103b （Mpa）46022016072430.2 （Mpa）3501351206842（%）264185140185Nb521-02-12试验数据b （Mpa）5203863
17、08191172.512110454.30.2 （Mpa）420372310191169117100.552.4（%）15.6-20.618.318.422.42225.426.536.2Nb521-15试验数据b （Mpa）13612765.00.2 （Mpa）13112362.5（%）25.025.832.5Nb521-16试验数据b （Mpa）11162.00.2 （Mpa）10860.8（%）28.437.0Nb521-17试验数据b （Mpa）11857.80.2 （Mpa）11656.4（%）29.839.42.4.2 物理性能2.4.2.1 平均线膨胀系数 新型铌钨合金棒材平均线
18、膨胀系数列入表214中。高温铌钨合金和WC103合金平均线膨胀系数分别见图211和图212。说明NbW合金的膨胀性能遵循直线规律，这对构件设计是有利的，尤其对总体设计有利。表214 Nb521-02-12B平均线膨胀系数温度/平均线膨胀系数1#2#3#平均值208007.917.737.467.70209007.967.827.547.772010007.997.857.607.812011008.037.877.637.842012008.077.907.667.882013008.127.937.747.932014008.177.997.858.002015008.208.148.018
19、.122016008.248.298.138.222017008.248.378.178.262018008.268.448.208.302019008.318.508.338.382.4.2.2 热导率新型铌钨合金棒材平均比热容、真比热容、热扩散率、热导率分别列入表2-15、表2-16中，热导率曲线见图2-13，Nb521-02-12B密度8.79/cm3。表215 Nb521-02-12B平均比热容、真比热容温度/平均比热容/CP(J/gK)温度/真比热容/CP(J/gK)RT-8000.2888000.304RT-10000.28710000.314RT-12000.29712000.3
20、25RT-14000.30114000.335RT-16000.30216000.341表216 热扩散率、热导率温度/热扩散率(10-5m2/S)热导率(W/mK)1#2#1#2#8002.122.0856.655.610002.112.0658.256.912002.082.0259.457.714002.001.9158.956.215001.891.8056.754.016001.761.6853.751.22.4.2.3 硬度与密度表216 硬度与密度对比表合金牌号硬度密度硬态软态Nb521-02-12173.78.854Nb521-04-151631488.842Nb521-04-
21、16155.31398.852WC-1038.86板材研究3.1技术路线铸锭涂玻璃粉或包套加热高温锻造面高温退火锻坯加热温轧酸洗高温退火冷轧酸洗高温退火取样分析3.2 技术关键3.2.1铸造热处理技术3.2.2温度和变形量的控制3.2.3热处理对力学性能的影响3.3 研究内容3.3.1基本原理通过均匀化退火和再结晶退火来消除合金加工应力，应用锻造、大轧制加工率等使合金晶粒充分破碎，组织均匀，防止板材分层、粗晶和脆裂，采用酸洗、打磨抛光等来提高合金板材表面质量。同时在锻造工艺前增加二次挤压工艺，使得合金组织更加均匀，可大大改善合金的加工性以及板材的精度和尺寸公差。3.3.2 Nb-W合金板材的轧
22、制过程3.3.2.1 Nb-W合金板材的轧制方案(1)高温锻造温轧冷轧(2)挤压开坯高温锻造温轧冷轧3.3.2.2 Nb-W合金板材工艺研究内容(1)锻造工艺研究(2)轧制工艺研究(3)退火热处理机制研究(4)低倍高温显微结构分析研究(5)表面质量控制研究(6)变形组织和纵横异向对力学性能影响研究(7)强化处理和强化析出相对合金力学性能影响的研究(8)性能重现性、稳定性研究3.3.2.3 Nb-W合金板材合金研究重点(1)铸锭热处理工艺研究(2)铸锭锻造工艺研究(3)板材轧制工艺研究(4)板材室温、高温力学性能研究3.3.2.4 Nb-W合金板材试验研制过程Nb-W合金板材研制历经四年，共投入
23、500多公斤料，16批次试验。先后建立了完善的退火、酸洗、锻造、轧制以及辅助工序和工艺：总体研究主要分四各阶段：第一阶段；1-4批料是基础研究阶段，主要研究合金铸锭对加工性能的影响；第二阶段59批确定锻造、轧制、退火工艺；第三阶段1013批主要研制合金板材的室温以及高温力学性能和换向轧制工艺；第四阶段1416批研制各类规格尺寸的板材，为合金焊接、涂层以及旋压提供合格的板材批料。在基础研究阶段，1-4批合金铸锭开裂的频率比较高，主要是W、Mo、Zr等成分存在偏析现象，具体见。表31 NbW成分分析表百分含量合金WMoZr%NbW合金4.5-5.51.72.10.81.2NbW02批次5.325.
24、451.912.210.821.3NbW04批次5.325.481.912.140.820.97其他开裂的因素：经验射结果分析，合金中的强化相偏析，应力不均，使合金的脆性增加。铸锭的锻造温度偏低，也是导致合金铸锭开裂的主要原因。通过基础阶段的研究1)制定了合金的锻造工艺见表32表32 高温锻造工艺加热温度/保温时间/锻造镦粗比侧锻拍扁到NbW05批次145010直接镦粗48-14mm-NbW06批次145010-直接侧锻75-21mm2)规范了合金成分中的关键元素的含量3)规范了合金加工作业制度 通过以上工作的开展铸锭开裂现象得到了有效控制3.3.3 基础研究阶段3.3.4 工艺、性能改进阶段3.3.4.1 对合金锻造包套问题的研究 合金在热锻以及高温处理过程中存在严重的氧化问题，采用包套方法控制合金加工时的氧化。1)硅玻璃包套方法：耐温1400，抗氧化性好，但不利于合金表面质量，清除比较困难。2)A4钢包套方法：可在1300以下使用，抗氧化性差，但易清除，对保护表面质量有很大作用。3)钼包套方法：可在1400以上使用，但抗氧化性很差，易于清除。 对三种包套加工后的板材表面质量进行跟踪调查，发现钢包套锻造的铸锭表面质量最好，硅玻璃包套质量最差；但是由于A4钢在1320易与Nb发生共晶反应，不能
