1、棒 材 鈮鎢合金棒材研究方法和技術路線 鑄錠檢驗涂層擠壓（鍛造）鑄錠熱處理加熱涂層加熱擠壓（鍛造）檢測鑄錠熱處理 1.關鍵技術 (1)固溶強化 固溶強化是鈮合金強化的途徑之一。鎢、鉬元素熔點高，原子半徑與鈮相接近形成固溶體，對提高鈮的高溫強度和入編性能有利。(2)沉淀強化加入鋯等元素在一定溫度下析出強化相，起到沉淀強化的作用。(3)加工強化通過反復“”的加工方式增大總加工率已達到細化晶粒的作用，有效地改善了材料的內部組織，提高了材料的綜合性能。2.研究內容2.1 鑄錠化學成分對力學性能的影響 在鈮基中加入少量的鎢、鉬等元素形成固溶體時對基體有強化作用，固溶強化是強化鈮合金一個重要的手段。鎢、鉬

2、的熔點高，原子半徑與鈮相接近形成固溶體時，對提高鈮的高溫強度和蠕變性能有利。Nb-W、Nb-Mo相圖和原子半徑差對鈮強度影響見下圖。 加入Zr、Y等微量元素所組成的化合物取代晶界的脆性相，減少晶界上非金屬夾雜及間隙元素的聚集，改善合金組織，可提高合金的耐熱性、塑性，是合金易成型。由于新型鈮合金添加多種元素，要求鑄錠成分均勻，元素含量控制在要求范圍之內(鈮鎢合金鑄錠化學成分見表1-2)2.2 工藝對比試驗和工藝參數2.2.1 鍛造開坯工藝 新型鈮鎢合金鑄錠采用中頻機組感應加熱，升溫速度較快，加熱過程中會導致表面與中心之間形成很大的溫度差，造成很大的熱應力。鍛造時易產生裂紋，在以后加工中便產生應力

3、集中，導致裂紋的形成和擴展。一般采用分段加熱，保溫，以免溫差過大產生熱應力，減小開裂程度。鍛造工藝流程及工藝參數見表2-1表2-1 Nb-W-Mo-Zr工藝流程及工藝參數序號設備名稱工序技術參數備注190KW電阻爐加熱200涂防氧化層2200KW中頻電源加熱1250/14分鐘31噸鍛錘鐓粗鐓粗比1.4241噸鍛錘拔長鍛造比1.385200KW中頻機組加熱1250/6分鐘61噸鍛錘鐓粗鐓粗比1.6371噸鍛錘拔長鍛造比1.2581噸鍛錘拔長鍛造比2.979200KW真空退火爐消除應力退火960/60分、5×10-2Pa1150/60分、5×10-2Pa10200KW真空退火爐

4、再結晶退火1450/60分、5×10-2Pa11檢測對Nb-W-Mo-Zr-03-04批次鍛造嚴重開裂進行分析，其鑄錠組織是粗大的柱狀晶組織，而且有害雜質聚集在晶界，削弱了晶間強度。且在鑄造時產生的鑄造應力及成分偏析，鍛造前沒有很好的熱處理，鍛造時鈮鎢合金錠很容易開裂，甚至整個鑄錠報廢。鑄錠開裂情況見如下照片，2-4、2-5.新型鈮鎢合金棒材鍛造加工工藝及工藝參數基本相同，由于樣品要求直徑較大，但鑄錠較小，固采取鐓粗拔長鐓粗退火擠壓鍛造等工序，增大加工率，提高力學性能。當總加工率為80-98%，方能保證了室溫和高溫力學性能。開始時因設備溫度限制，無法提高均勻化溫度及熱處理溫度，由于溫

5、度過低故組織結晶效果不太好。后來經過試驗確定鍛造、擠壓開坯為1250-1400加熱，保溫15-20分鐘左右；最終樣品960-1210保溫1小時消除應力退火，1420-1550保溫1小時再結晶退火。退火溫度不同，b、0.2隨溫度的提高而下降，隨退火溫度的提高而提高，見如下表22表22 新型鈮鎢合金棒材不同退火溫度力學性能比較編號退火溫度/bMpa0.2Mpa%Nb521-02-12硬態531.35480.7516.6960/1h526.0451.518.21150/1h488.2385.217.31320/1h442.85339.919.21450/1h436.0355.919.2圖25新型鈮鎢

6、合金棒材不同退火溫度與力學性能的關系為了減少鍛造開裂程度，Nb521-04-15批次采取了鑄錠熱處理工序，以達到消除鑄造應力和降低鑄錠硬度目的。鐓粗拔長時發現開裂，立即停止鍛造，切除裂紋，增加熱處理工序，再進行鐓粗拔長。經過變形的坯料，粗大的柱狀晶得到一定程度的破碎，內部組織得到改善（見照片9）,強度性能和成品率均得到提高，力學性能對比見表23。對Nb521-04-15批次棒材心部，中部和邊部分別測試力學性能，其結果差別不大（見表24）。表23力學性能對比批號狀態力性備注bMpa0.2Mpa%0212c硬態531.35480.7516.6室溫0415593.4439280212退火態436.0

7、355.919.21450/1h真空退火0415482.8352.133.30212c高溫13112529.11600041513613127.7表24 Nb521-04-15批次心部力學性能測試結果編號取樣部位狀態力學性能bMpa0.2Mpa%1中心硬態602.8467.826.034.52中心硬態594.7463.625.736.93中心硬態592.6463.624.334.14邊部硬態615.5487.327.731.42.3.2.2擠壓開坯工藝 在三向應力狀態下擠壓棒材，有利于塑性差的稀有金屬變形，經過大變形量變形，使晶粒充分破碎，改善金屬綜合性能。擠壓過程中溫度變化不大，變形均勻，保

8、證了材料性能的一致性，且減少了開裂程度，提高了材料的成材率。因而從16批次開始擠壓開坯工藝研究，其工藝流程及工藝參數見表25。表24 Nb521-04-16批工藝流程及工藝參數序號設備名稱工序技術參數加工尺寸1真空爐熱處理1300×14分鐘保溫，真空5×10-2Pa2焊包套焊封360KW中頻爐加熱1250×20分鐘4擠壓機擠壓3150噸，突破壓力240kg/cm2，5酸洗6真空爐熱處理1300×60分鐘保溫，真空5×10-2Pa7涂層700涂氧化層8100KW中頻爐加熱9鍛錘鍛造兩火鍛造。10酸洗10-15HF+3035HNO3+余水11真空爐

9、熱處理14501600×60分鐘12檢測通過計算擠壓力，同時對擠壓設備狀況、加熱溫度、降低摩擦力等條件的綜合考慮，使4批次擠壓試驗很順利，擠壓棒表面較好，無開裂現象，而且擠壓開坯棒材的綜合力學性能較好，Nb521-04-16擠壓態和退火態棒材力學性能見表26表26 Nb521-04-16擠壓態和退火態棒材力學性能狀態取向力性備注bMpa0.2Mpa%擠壓態縱向565.76455.6536.15平均值橫向474.2412.53.35退火態縱向414.7263.1536.5棒材經擠壓、熱處理、涂層、加熱、鐓粗、拔長至樣品毛坯尺寸，采取不同的熱處理溫度進行綜合性能數據測試，其力學性能和物理

10、性能均超過技術要求。由于加工率較大，樣品均在一定溫度熱處理后達到完全再結晶（退火組織見圖2.6）。Nb521-04-16綜合性能見表27表27Nb521-04-16綜合性能狀態性能bMpa0.2Mpa%E密度硬度硬態628.8526.520.415380044.61731210退火498.4378.428.817710055.21500退火331.9212.528.46720044.68.39/cm31351600高溫11811629.88650094.52.3.2.3 變形溫度、變形程度、變形速度對新型鈮鎢合金的影響 在鈮中添加5W、2Mo、1Zr，起到強化基體的作用，在常溫下很難塑性變形，

11、根據現有設備條件，采取加熱鍛造和擠壓相結合實驗。在熱加工時，一般在結晶點溫度以上加工，在此溫度下，材料變形抗力低，可采用大變形量，充分破碎鑄造組織，變形量在80以上，在規定的變形溫度范圍內，采用合適的變形程度和變形速度，鑄造組織基本破碎，其抗拉強度有所提高。變形速度很快時，不僅變形抗力提高，而且會出現溫度的不均勻，從而裂紋產生或性能惡化。在鑄造過程中必須控制其鍛打的快慢和輕重，一般開始時，輕快打達到一定變形后方可加重錘擊，保證鈮合金鍛件溫度的均勻性和較高的加工塑性。在試驗中。由于變形速度過高，影響加工塑性，為此在加工過程中必須考慮加熱溫度、變形熱效應、變形程度、變形速度之間的關系。這些條件直接

12、影響鈮合金的組織與性能。2.4 棒材綜合性能分析與對比2.4.1 力學性能2.4.1.1 鍛造開坯新型鈮鎢合金棒材力學性能測試室溫和高溫力學性能均達到要求的標準，在1600時的高溫力學性能比較穩定，高溫抗拉強度在120130Mpa之間。不同批次鈮鎢合金棒材不同狀態室溫和高溫力學性能對比見如下表28、表29、表210。Nb521-02-12B不同溫度彈性模量曲線見圖27.表28 Nb521-02-12C不同退火溫度的室溫力學性能編號退火溫度/bMpa0.2Mpa%Nb521-02-12硬態531.35480.7516.61320×1h442.85339.919.21450×1

13、h436.0355.919.2表29 Nb521-02-12C不同退火溫度的高溫力學性能序號狀態試驗溫度/0.2MpabMpaEt/Gpa5%1Nb521-02-12C960×1h160012513183.529.12170097.910373.831.63180057.460.870.037.61Nb521-02-12C1450×1h160011711975.528.72170084.990.569.732.23180058.362.664.134.4表210 Nb521-02-12棒材加工態不同試驗溫度下的拉伸測試結果試驗溫度/0.2MpabMpaEt/Gpa5%100

14、037238612318.3120031030810918.4140019119189.622.41500169172.586.4522160011712183.225.41700100.510469.8526.45180052.454.36336.2圖27 26頁2.4.1.2 擠壓開坯新型鈮鎢合金棒材力學性能測試 擠壓開坯加工工藝新型鈮鎢合金棒材室溫和高溫力學性能均達到協議要求，并且性能達到一致性和穩定性。擠壓態力學性能見表211。在超高溫蠕變試驗機上測試了Nb521-18RD棒材的高溫蠕變性能，測試條件：環境溫度20，測試介質為真空，保溫時間30分鐘。升溫速率為30/分。測試數據見表21

15、2，蠕變曲線見圖28。表211 Nb521-04-16棒材力學性能狀態0.2MpabMpa5%Et/Gpa備注硬態631.6549.719.116340042平均值消除應力501.1387.9524.214690057.3軟態333.7263.6525.87038543.5高溫11811629.89650094.51600樣品編號試樣尺寸實驗后標距長（mm）溫度（）蠕變時間（h）應力（Mpa）試驗時總蠕變穩態蠕變速率斷裂與否NinRB1600150.003.38×2.9250.301600334.50.0610否NinRB1600150.04×3.40×2.905

16、0.481600334.50.0350否2.4.1.3 國內外鈮鎢合金棒材力學性能對比 表213是國內外鈮鎢合金棒材力學性能對比表。從表中可以看出新型鈮鎢合金棒材力學性能超過了蘇聯5BMU和國內同行水平。在1600時的力學性能比WC103力學性能高出近4倍數據和曲線對比參照圖29、210。表213 國內外鈮鎢合金棒材力學性能對比表規格室溫10001100120014001500160017001800NbW合金b （Mpa）520620700.2 （Mpa）420520（%）205BMUb （Mpa）400-450130-18060-7040-650.2 （Mpa）350-400120-170

17、60-9040-60（%）320-36030-3560-8035WC103b （Mpa）46022016072430.2 （Mpa）3501351206842（%）264185140185Nb521-02-12試驗數據b （Mpa）520386308191172.512110454.30.2 （Mpa）420372310191169117100.552.4（%）15.6-20.618.318.422.42225.426.536.2Nb521-15試驗數據b （Mpa）13612765.00.2 （Mpa）13112362.5（%）25.025.832.5Nb521-16試驗數據b （Mpa）1

18、1162.00.2 （Mpa）10860.8（%）28.437.0Nb521-17試驗數據b （Mpa）11857.80.2 （Mpa）11656.4（%）29.839.42.4.2 物理性能2.4.2.1 平均線膨脹系數 新型鈮鎢合金棒材平均線膨脹系數列入表214中。高溫鈮鎢合金和WC103合金平均線膨脹系數分別見圖211和圖212。說明NbW合金的膨脹性能遵循直線規律，這對構件設計是有利的，尤其對總體設計有利。表214 Nb521-02-12B平均線膨脹系數溫度/平均線膨脹系數1#2#3#平均值208007.917.737.467.70209007.967.827.547.77201000

19、7.997.857.607.812011008.037.877.637.842012008.077.907.667.882013008.127.937.747.932014008.177.997.858.002015008.208.148.018.122016008.248.298.138.222017008.248.378.178.262018008.268.448.208.302019008.318.508.338.382.4.2.2 熱導率新型鈮鎢合金棒材平均比熱容、真比熱容、熱擴散率、熱導率分別列入表2-15、表2-16中，熱導率曲線見圖2-13，Nb521-02-12B密度8.79/

20、cm3。表215 Nb521-02-12B平均比熱容、真比熱容溫度/平均比熱容/CP(J/gK)溫度/真比熱容/CP(J/gK)RT-8000.2888000.304RT-10000.28710000.314RT-12000.29712000.325RT-14000.30114000.335RT-16000.30216000.341表216 熱擴散率、熱導率溫度/熱擴散率(10-5m2/S)熱導率(W/mK)1#2#1#2#8002.122.0856.655.610002.112.0658.256.912002.082.0259.457.714002.001.9158.956.215001.8

21、91.8056.754.016001.761.6853.751.22.4.2.3 硬度與密度表216 硬度與密度對比表合金牌號硬度密度硬態軟態Nb521-02-12173.78.854Nb521-04-151631488.842Nb521-04-16155.31398.852WC-1038.86板材研究3.1技術路線鑄錠涂玻璃粉或包套加熱高溫鍛造面高溫退火鍛坯加熱溫軋酸洗高溫退火冷軋酸洗高溫退火取樣分析3.2 技術關鍵3.2.1鑄造熱處理技術3.2.2溫度和變形量的控制3.2.3熱處理對力學性能的影響3.3 研究內容3.3.1基本原理通過均勻化退火和再結晶退火來消除合金加工應力，應用鍛造、大軋

22、制加工率等使合金晶粒充分破碎，組織均勻，防止板材分層、粗晶和脆裂，采用酸洗、打磨拋光等來提高合金板材表面質量。同時在鍛造工藝前增加二次擠壓工藝，使得合金組織更加均勻，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合金板材的軋制過程3.3.2.1 Nb-W合金板材的軋制方案(1)高溫鍛造溫軋冷軋(2)擠壓開坯高溫鍛造溫軋冷軋3.3.2.2 Nb-W合金板材工藝研究內容(1)鍛造工藝研究(2)軋制工藝研究(3)退火熱處理機制研究(4)低倍高溫顯微結構分析研究(5)表面質量控制研究(6)變形組織和縱橫異向對力學性能影響研究(7)強化處理和強化析出相對合金力學性能影響的研究(8)

23、性能重現性、穩定性研究3.3.2.3 Nb-W合金板材合金研究重點(1)鑄錠熱處理工藝研究(2)鑄錠鍛造工藝研究(3)板材軋制工藝研究(4)板材室溫、高溫力學性能研究3.3.2.4 Nb-W合金板材試驗研制過程Nb-W合金板材研制歷經四年，共投入500多公斤料，16批次試驗。先后建立了完善的退火、酸洗、鍛造、軋制以及輔助工序和工藝：總體研究主要分四各階段：第一階段；1-4批料是基礎研究階段，主要研究合金鑄錠對加工性能的影響；第二階段59批確定鍛造、軋制、退火工藝；第三階段1013批主要研制合金板材的室溫以及高溫力學性能和換向軋制工藝；第四階段1416批研制各類規格尺寸的板材，為合金焊接、涂層以

24、及旋壓提供合格的板材批料。在基礎研究階段，1-4批合金鑄錠開裂的頻率比較高，主要是W、Mo、Zr等成分存在偏析現象，具體見。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5.325.451.912.210.821.3NbW04批次5.325.481.912.140.820.97其他開裂的因素：經驗射結果分析，合金中的強化相偏析，應力不均，使合金的脆性增加。鑄錠的鍛造溫度偏低，也是導致合金鑄錠開裂的主要原因。通過基礎階段的研究1)制定了合金的鍛造工藝見表32表32 高溫鍛造工藝加熱溫度/保溫時間/鍛造鐓粗比側鍛拍扁到NbW05批次1

25、45010直接鐓粗48-14mm-NbW06批次145010-直接側鍛75-21mm2)規范了合金成分中的關鍵元素的含量3)規范了合金加工作業制度 通過以上工作的開展鑄錠開裂現象得到了有效控制3.3.3 基礎研究階段3.3.4 工藝、性能改進階段3.3.4.1 對合金鍛造包套問題的研究 合金在熱鍛以及高溫處理過程中存在嚴重的氧化問題，采用包套方法控制合金加工時的氧化。1)硅玻璃包套方法：耐溫1400，抗氧化性好，但不利于合金表面質量，清除比較困難。2)A4鋼包套方法：可在1300以下使用，抗氧化性差，但易清除，對保護表面質量有很大作用。3)鉬包套方法：可在1400以上使用，但抗氧化性很差，易于

26、清除。 對三種包套加工后的板材表面質量進行跟蹤調查，發現鋼包套鍛造的鑄錠表面質量最好，硅玻璃包套質量最差；但是由于A4鋼在1320易與Nb發生共晶反應，不能滿足鑄錠在1320鍛造要求，而鉬包套抗氧化能力又太差，因而在經過多次試驗之后，仍然選用了玻璃粉包套進行鍛造。3.3.4.2 合金板坯表面處理問題1)加工：采用打磨、拋光，清除玻璃粉以及表面裂紋，應力棱角等缺陷。2)酸洗：應用酸洗，對板坯、中間成品以及成品表面進行處理達到去除氧化皮和油污的目的3)修料：對于鍛造毛坯、半成品少量缺陷，進行必要的修正，保證下軋質量。3.3.4.3 軋制工藝研究1)制定了450保溫1-2小時溫軋工藝2)采用總加工率

27、75-85%大軋制率工藝3)采用換向軋制解決了大板軋制問題3.3.4.3 NbW合金板材對鑄錠的要求1)鑄錠表面光滑、無夾雜、氣孔、龜裂紋等。2)鑄錠涂玻璃粉要求：涂玻璃粉厚度均勻，不能有氣孔、裂紋、脫落等缺陷。通過工藝改進階段的研究：1)規范了合金鑄錠來料指標要求。2)制定了合金板材作業指導書。3)為提高、改進合金的全面力學性能奠定了基礎。3.3.5 合金板材性能提高、穩定研究階段3.3.5.1室溫性能1)高溫再結晶熱處理板材的力學性能 通過1400以上的高溫對合金進行均勻化、再結晶處理，使得合金的固溶強化相增多，使強度提高。同時由于晶粒細化，改善合金的加工性。其1400退火后的室溫力學性能

28、見表3-3.表3-31400均勻化處理后的和金板材力學性能樣品編號抗拉強度Mpa屈服強度Mpa彈性模量延伸率%NbW-14501512.2412443.21112.32224.9NbW1463.212.413.821.427.62)換向軋制工藝的研究在軋制工藝研究以及合金板材穩定的基礎上，課題組進行了成品的研制工作。板材規格：厚度： 0.5-3.2mm板材尺寸：200×200mm；400×400；420×420mm等多種規格的板材。 為了消除加工缺陷，減少粗晶以及柱狀晶，對于合金變形程度的影響，改善合金的整體力學性能，采用換向軋制，縮小了

29、合金板材在縱、橫軋制方向的性能差異，取得明顯效果。高溫性能檢測 在43所、703所進行了NbW合金板材的高溫力學性能的檢測對比試驗。1) 在西安43所測得的合金高溫力學性能如表3-4所示表3-4西安43所測得的合金高溫力學性能如表所示樣品編號測試溫度bMPa%NbW-0104-1-1160082.350NbW-0104-1-2160085.034NbW-0104-1-3160091.729NbW-0209-2-1160010232NbW-0209-2-21600121262）在703所的高溫（1600）力學性能如表表3-4所示表3-5北京703所的高溫（1600）力學性能測試結果樣品編號測試溫度bMpa%NbW342.5NbW042.8NbW343.8NbW752.3NbW741.7NbW846.7NbW-0209-2-1160091.347.3NbW-0209-2-2160087.544.01600