Nb521铌钨合金材料紧固件制造工艺

阐述Nb521材料特性、机械加工特性,紧固件镦制成形性能、室温及高温性能。在传统制造工艺的基础上进行创新和优化,解决了Nb521紧固件制造中的一系列难题。工艺研究结果表明:该铌钨合金具有优异的工艺性能及高温性能,可满足宇航紧固件对材料性能的使用要求。

Nb521铌钨合金组织性能及其应用研究

对我国新研制的Nb521铌钨合金的室温及高温性能进行了研究,并对相应的微观组织进行了分析,并结合其在液体火箭发动机推力室身部的应用情况。结果表明:该铌钨合金具有优异的工艺性能及高温性能,可满足发动机对材料性能的使用要求。

氧化温度对Nb521合金力学性能的影响

为了研究氧化对Nb521合金力学性能的影响,在20 ppm低氧环境中对Nb521合金拉伸试样在500~800℃下进行氧化试验。采用SEM、XRD技术对试样表面氧化膜形貌及物质组成进行研究。结果表明:500℃时O元素的扩散对合金的力学性能影响并不大;700℃时非保护性氧化膜的生成导致合金发生脆性断裂;800℃时保护性氧化膜的生成使合金保持有一定的韧性。

3D打印用近球形Nb521合金粉末的流化制备

采用氢化脱氢(hydrogenation-dehydrogenation,HDH)工艺制备不规则形状Nb521合金粉末,结合流化技术将氢化脱氢粉末进行改性处理,改善粉末球形度及流动性,所制流化Nb521合金粉末基本满足3D打印的工艺要求。通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察、粒度分析、化学分析等手段,对粉末形貌、粒度分布、间隙元素含量、球形率以及流动性等特性进行表征。结果表明,经流化处理后,不规则形状的氢化脱氢Nb521合金粉末粒度分布变窄,球形率和流动性均得到显著提高,杂质元素含量得到有效控制,3D打印过程中的铺粉效果良好。

冷旋锻加工对Nb521合金棒材显微组织及力学性能的影响

采用金相显微镜、电子背散射衍射仪及拉伸力学性能测试,研究冷旋锻加工对高温紧固件用Nb521合金棒材显微组织及拉伸力学性能的影响。结果表明,随着冷旋锻加工率的增大,棒材晶粒沿轴向拉长呈纤维状组织,拉伸力学性能呈明显加工硬化趋势,强度逐渐升高。加工率不同的棒材进行1 350℃×1h真空退火后,组织均未完全再结晶,60%加工率棒材的再结晶率居中,但平均晶粒尺寸最小,综合力学性能最好。60%加工率的棒材心部与边部晶粒尺寸差异较大,且硬态时心部强度高于边部,但退火后反而低于边部。

Nb521铌合金电子束焊工艺研究

对Nb521铌合金进行了电子束焊工艺试验研究,优化了工艺参数,分析了焊缝表面成形及焊接接头组织、常温和高温力学性能。结果表明:Nb521具有良好的电子束焊接性能,焊缝常温拉伸强度、屈服强度均能达到母材的95%以上,延伸率达到母材的86.7%,在1 600℃以下焊缝性能良好。

异种厚度Nb521铌钨合金激光焊接工艺

为了给Nb521铌钨合金大型薄壁结构件的工程化应用提供参考,积累Nb521铌钨合金激光对接焊缝的基础数据,通过预置装配错边和装配间隙,开展了异种厚度Nb521铌钨合金的激光焊接工艺试验,研究了装配条件对铌钨合金激光焊接头的焊缝成形、微观组织及力学性能的影响。结果表明,Nb521铌钨合金具备良好的激光焊接工艺性;1.0 mm+1.5 mm厚Nb521铌钨合金激光对接焊缝允许的最大装配错边和最大装配间隙均为0.3 mm,即不超过较薄母材厚度的30%;Nb521铌钨合金激光焊缝金相组织为典型的铸态组织,两侧柱状晶通过联生结晶方式向焊缝中心相对生长,热影响区宽度为0.3~0.4 mm;装配错边和装配间隙对焊缝微观组织的影响较小;当装配错边和装配间隙不超过允许的最大值,均可获得均匀美观的双面焊缝成形;接头具备良好的综合力学性能,拉伸试样断裂于母材,为典型的韧性断裂特征。

变形温度对Nb521合金力学性能及微观组织的影响

采用超高温力学测试系统对Nb521合金进行了高温拉伸实验,分析了变形温度(1100~1500℃)对力学性能及微观组织的影响。结果表明:随着变形温度的升高,Nb521合金流变应力呈下降的趋势,表现为强度降低,而伸长率随之增大。当变形温度为1300℃时,力学性能发生了显著变化,这是由于合金发生了动态再结晶,其形核方式为晶界凸出形核。随着变形温度的持续升高,微观组织由原始扁平状组织转变为等轴组织,当温度达到1500℃时发生了完全再结晶。Nb521合金在高温断口表面出现大量等轴状韧窝,表现为韧性断裂机制。

锻造温度对Nb521合金棒材组织及力学性能的影响

在1 000~1 400℃的温度区间对Nb521合金棒材进行拔长锻造,利用显微硬度仪、金相显微镜、拉伸试验机以及超声波探伤仪研究锻造温度对组织和性能的影响。结果表明:锻造温度越高,棒材的动态再结晶比例越高,后续完成再结晶的退火温度越低。随着锻造温度升高至1 400℃,退火态棒材截面上的组织细小均匀,强度和塑性匹配最好。最后,通过棒材的超声波探伤检测,证实了提升锻造温度有利于组织的均匀化,明显降低杂波水平。

航天用高温铌合金研究进展

与其他种类的高温合金相比,高温铌合金具有密度低、高温(600~1600℃)比强度高、冷热成形性能优良、焊接性能好等优点,可以加工成形薄壁和复杂形状的零件,用来制造火箭发动机、卫星、宇宙飞船和导弹的姿态控制/轨道控制发动机的推力室身部延伸段等部件,是航天结构件的重要候选材料之一。为了满足航天发动机的需求,我国相继在美、俄铌合金的基础上仿制研发了多种火箭发动机用铌合金结构材料,其中使用最多的是C-103和Nb521合金。本文对铌合金的分类、航天用铌合金的发展、应用及进展情况进行了综述。针对应用较为广泛的C-103、PWC-11、Nb521合金及在研的低密度铌合金进展情况进行了重点介绍,并讨论了航天用铌合金研究目前存在的问题,对未来发展更高强度、更高强韧性和轻质化的新型铌合金,以及更高温度、长寿命的高温抗氧化防护涂层的研究方向进行了展望。

铌基大型航天发动机喷管涂层制备

Nb521铌基合金在1600℃下的高温强度是C103合金的3倍左右,并且具有很好的旋压、焊接等加工性能,是最理想的旋压大型发动机喷管的铌基合金材料,旋压尺寸可达到Φ850×1300mm,喷管的涂层体系主要是硅系,制备工艺采用冷喷后两次高温熔烧,制备的涂层在1700℃下的静态抗氧化寿命可达到40h以上,在1800℃下的静态抗氧化寿命在8h左右,在1600℃至室温的热震性能可达到2000次以上,并且通过了地面以及高空试车。

铌钨合金车削技术研究

Nb521铌钨合金因其优异的高温性能,在液体火箭发动机中广泛应用。受到材料本身特性的影响,加工中易出现散热难,刀具易崩刃、排屑难等制约加工效率和质量的难点。通过生产实践的优化与验证,合理选择冷却液、刀具参数以及切削参数,可以有效的解决铌钨合金的加工难题。

铌基合金高温抗氧化涂层厚度均差影响及预防措施

本文主要阐述了用于航天发动机领域的铌基合金高温抗氧化涂层厚度不均匀性造成发动机喷管表面质量缺陷和性能下降,并就造成涂层厚度不均匀性以及由厚度不均匀性引起的表面质量缺陷和性能下降的原因进行简要的分析,最终提出几点预防措施和解决方法。

W-Mo对Si-Cr-Ti高温抗氧化涂层组织的影响性能研究

在Nb521合金表面利用料浆烧结法制备了Si-Cr-Ti-W-Mo涂层,并对这种涂层在1700℃静态空气中的静态氧化行为进行了测试和研究。利用扫描电镜(SEM),对涂层在氧化过程中的微观组织形貌进行了测试和分析,得出:加入过多的W、Mo元素会造成二次熔烧后部分未固熔的W、Mo在表面形成不熔的颗粒依附在涂层的表面,在涂层表面形成沟壑,氧气会沿着沟壑直达涂层内部,加速涂层的氧化,降低涂层高温抗氧化性能,适量的W、Mo元素可提高涂层高温抗氧化性能。

铌钨合金表面(W,Mo,Ti,Cr)Si_(2)/NbSi_(2)复合涂层的制备与抗氧化性能

为了提高铌钨合金Nb521的高温抗氧化性能,采用料浆熔烧+包埋渗硅的复合工艺制备了(W,Mo,Ti,Cr)Si_(2)/NbSi_(2)复合涂层,研究助烧剂Si含量对涂层组织结构的影响,考察涂层在1350℃下的静态抗氧化和抗热震性能。结果表明:料浆熔烧W-Mo-Ti-Cr多元合金层时,其组织结构随着助烧剂Si含量的增加呈先致密后疏松的变化趋势,较适宜的Si含量为30%左右(质量分数);再经包埋渗硅后涂层组织进一步致密化,结构分为(W,Mo,Ti,Cr)Si_(2)外层和NbSi_(2)内层。涂层在1350℃下的静态氧化动力学符合抛物线规律,氧化20 h后表面生成了致密的SiO_(2)保护膜。涂层经1350℃-室温热震64次后未发生明显失效,氧化膜完整地黏附在涂层表面,涂层内部出现的热应力裂纹被SiO_(2)有效填充。

铌合金表面辉光等离子渗Mo的扩散研究

利用辉光等离子表面冶金技术在Nb521合金表面制备了Mo合金层,研究了渗Mo过程中的扩散行为:主要分析了渗金属温度,保温时间对渗层厚度和扩散速率的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)观察渗层表面、截面形貌,X射线能谱仪(EDS)检测渗层界面元素分布。实验结果表明,渗层由扩散层和沉积层组成,且组织致密,颗粒细小,无明显显微裂纹等缺陷,与基体结合良好。温度是影响扩散速率的最主要因素,随着温度的升高,扩散速率逐渐增加,而保温时间对扩散速率的影响不大。最佳工艺下,渗层厚度可达26.5μm,扩散层厚度可达6.89μm,扩散速率可达1.73μm.h-1,Mo元素含量从表面到心部呈梯度分步,在涂层与基体的界面处,钼铌原子发生了不同程度的互扩散。最后依据传统扩散理论计算得到了Mo在不同实验温度下的扩散系数,并拟合得到了离子轰击作用下Mo在Nb521合金中的扩散激活能为292 k.Jmol-1。