航空航天用高温铌合金的研究进展

发布时间：2017年04月23号，星期日 快速评论

摘 要：本文概述了航空航天用高温铌合金的研究现状，分别从合金的强化、制备加工以及抗氧化防护方面做了详细介绍，并对高温铌合金今后的研究方向做出了展望。
　　关键词：高温铌合金；强化；制备；抗氧化涂层
　　1 引言
　　金属铌，作为难熔金属中密度较小的金属，具有高熔点、较高的高温强度（在1093～1427℃范围的比强度最高）、良好的室温加工性能、焊接性和耐蚀性、无放射性等特点，使得其合金能制成薄板和外形复杂的零件，用作航天和航空工业的热防护和结构材料[1]。自20世纪60年代以来，高温铌合金的研制已经有了长足的发展，并且展示了其相比镍基合金在高温领域的优越性，常见的如广泛应用于发动机辐射冷却喷管延伸段的C-103（Nb-10Hf-1Ti-0.7Zr）合金，用于高超音速飞机蒙皮与翼前缘的Nb-752（Nb-10W-2.5Zr）合金以及航天飞机轨道级机动系统喷管采用的FS-85（Nb-28Ta-10W-1Zr）合金[2]。作为航空航天使用的重要原材料之一，高温铌合金的合金制备、塑性加工及高温抗氧化涂层一直是近些年来的研究热点[3～5]。
　　2 铌合金的强化方式
　　与大多数金属类似，合金化也是铌合金的主要强化方法，主要强化路径为固溶强化、沉淀强化及弥散强化[6， 7]。目前，铌合金中的强化元素包含难熔金属W、Mo、Ta、Ti、Zr、Hf等，这些元素可以对铌起到固溶强化的作用，其他元素如C、N、O也以其他方式对铌起到强化作用。作为活性金属元素，Ti、Zr、Hf不仅可以改善合金的抗氧化性、抗熔融碱金属腐蚀性能，还可与间隙元素构成其他强化方式，如Nb-22W-2Hf-C合金中的Hf和C可形成HfC起到沉淀强化作用，Nb-1Zr合金中的ZrO2起到弥散强化作用。添加适当的W和Mo可以提高合金的高温强度和室温强度，改善材料的抗蠕变性能，比如近些年研制的NbW5-1（Nb-5W-2Mo-1Zr-0.1C）和NbW5-2（Nb-5W-2Mo-1.7Zr）合金。与C-103合金相比，NbW5系列合金不仅降低了制造成本，表面加涂层后的工作温度也有所提升。值得注意的是，W和Mo含量太高会降低合金的工艺性能，如可焊接性和塑性，使其不易加工。Ta属于中等强化元素，可与铌基体形成无限固溶体，但一般含量需超过10%时强化效果才会明显，如FS-85合金。
　　由于铌合金通常添加防护涂层后使用温度超过1000℃，所以根据高温强度的高低，高温铌合金又可分为低强、中强及高强三大类[8]。低强度铌合金主要是C-103、KB-1以及Cb-33等；中强度铌合金是FS-85、D-43以及Nb752等；高强铌合金为WC3009，FS-48以及FS-50等。目前应用广泛的主要是低、中强度铌合金。
　　3 铌合金的制备
　　工业中，粗铌制取主要是通过铝热法或者碳热法还原氧化铌。生产中一般通过间接碳化还原法制备粗铌，然而粗铌的杂质含量较高，因此还要采用多次电子束熔炼进行提纯[9]。锭坯的制备可采用粉末冶金和真空熔炼两种方法。采用粉末冶金法很容易获得成分均匀的合金材料，但由于杂质元素含量高，材料硬脆、塑性较差，生产上大多采用电子束熔炼进行铸锭的制备。现代电子束炉的灵活性和电子束的可控性允许使用多种形式的原料：海绵状、压制粉末、块状屑、烧结条等。然而，经电子束熔炼后，饱和蒸汽压比铌高的金属元素挥发损失比较大，比如常见的强化元素Ti、Zr。因此，为了制取纯度高、成分均匀的合金锭坯，通常还需进行成分调整，经真空电弧熔炼，才能使这些元素的含量达到合金的名义成分要求。
　　对于铌合金的加工，通常采用挤压、锻造、轧制、拉拔和冲压、旋压等方法制取棒材、丝材、板材、带材、箔材、管材和异形件。由于高温下间隙元素氧极易与铌发生反应，因此，铌合金在热加工过程中必须采用金属包套、涂层或惰性气体保护加热等措施。
　　4 铌合金的防护
　　铌合金在高温环境下的抗氧化性能较差，使用时必须有防护措施，改善途径通常是合金化和表面加涂层两种办法。合金化虽然可以改善铌的高温抗氧化性，当添加的合金元素超过临界量时，会对合金的力学性能有负面作用；而如果添加元素量不足，则对铌基体的防护作用较差。因此，表面涂层保护是兼顾铌合金高温力学性能与抗氧化性行之有效的途径。目前，防护涂层大致可归纳为以下三种：金属间化合物涂层、塑性抗氧化合金涂层、复合防护涂层[5， 10]。
　　金属间化合物防护层主要有铝化物涂层和硅化物涂层。铌合金中铝化物涂层得到广泛应用的是通用电气公司的LB-2（88Al-10Cr-2Si）涂层，VacHgd公司发展的与LB-2工艺相似的Lunite-2，以及Sylvania Electric Products有限公司以银改进的铝化物（Al-Si-Ag）涂层。目前，硅化物涂层的发展较为完善，应用也最广，如TRW公司研制的Cr-Ti-Si涂层。相比铝化物涂层，硅化物涂层的抗氧化性能优越，而且热稳定性良好，使用温度可达1600℃，其表面形成的 SiO2在高温下有流动性，使涂层具有自愈能力，并能承受一定量的变形。
　　塑性抗氧化合金涂层主要是用铁、镍和铬为基的耐热合金以及贵金属制备，但其与基材的结合力差，使用温度也较低。有报道可采用抗氧化铌合金做底层，在其上再加上抗氧化性能较好的LM-5（40Mo-40Si-8Cr-10Al-2B）制成防护层，效果比较明显。
　　复合防护涂层多以MoSi2为底层，陶瓷玻璃为表层。因为 MoSi2的膨胀系数与铌合金接近，其抗氧化能力也较NbSi2为优，表面的陶瓷玻璃层可以密封微裂纹等缺陷，试验证明效果明显。
　　5 结语
　　随着高推重比火箭的发展，航空航天对高温铌合金材料的使用性能、使用环境等要求越来越严格，不仅要减轻铌合金结构件的密度，还要提高其高温强度、抗高温氧化性等。因此，今后的研究方向可归纳为：（1）充分利用合金化设计出能承受更高温度新型高强铌合金，如近几年研制的铌硅系金属间化合物基超高温结构材料；（2）优化
　　铌合金的制备和加工成型技术，开发航空航天用大尺寸低密度铌合金的制备技术，获取性能更加优良、可靠稳定、经济的铌合金结构件；（3）改进常用涂层的制备工艺，提高其综合性能，并且加大对复合涂层体系的研究。