新型铌钨合金国家军用标准的制定

发布时间:

2024-11-29

新型高温高比铌合金—铌钨合金，与前苏联 5BМЦ、F-48 等合金一样，同属 Nb-W-Mo 系合金，具有高熔点（2630℃）、密度适中（8.9g/cm3）、高温强度好（1600 ℃ 时，σb ≥ 100MPa）的优点，同时还具有良好的加工性能和焊接性能。该合金自 1999 年由宁夏东方
钽业股份有限公司（以下简称“东方钽业”）研制成功以后，直接被应用在航天高技术领域，并逐渐成为国内双组元液体火箭发动机广泛使用的结构材料[1-3]。

目前，国内批量化、规模化生产铌钨合金的单位有东方钽业和西北有色金属研究院两家，由于生产方法的不同，两家单位生产的铌钨合金在成分、力学性能上不尽相同，分别注册合金牌号为 NbW5-1（东方钽业）、NbW5-2（西北有色金属研究院）。

随着铌钨合金应用面的扩展和需求的逐年增长，合金的标准化问题也逐渐暴露出来。由于缺少铌钨合金的国家级标准、各单位生产的合金成分不同，性能、检测方法各异，质量评判标准不一，给航天用户造成了很大困扰和不便，不利于这一优质航天材料的扩展应用。

针对这一情况，2012 年 3 月，由中国有色金属工业标准计量质量研究所牵头，宁夏东方钽业股份有限公司主导，上海空间推进研究所、中国空间技术研究院控制与推进系统事业部、西北有色金属研究院共同参与，起草制定了我国新一代航天用材料国家军用标准——《航天用铌钨合金棒材规范》（以下简称“《规范》”）。《规范》对铌钨合金化学成分、密度、力学性能等关键内容进行了详细规定，对规范合金生产、确保合金
质量稳定性具有重要作用，同时也为航天发动机设计和选材提供了更为便捷的途径。

《规范》的关键内容
1. 化学成分
化学成分对合金材料的性能有至关重要的影响。铌钨合金中添加 W、Mo等元素形成固溶体可以提高合金的高温强度和蠕变性能，Zr 可以与 C 形成强化相，起到沉淀强化的作用。但这些元素的含量需要控制，否则容易造成合金加工性能恶化。此外，C、N、H、O 属间隙元素超过一定量后会引起合金硬化、脆化，也需要加以严格控制。
此外，合金铸锭熔炼方法也对合金的成分有一定影响。采用电子束炉熔炼与采用电弧炉熔炼出的合金铸锭，其合金化元素、间隙元素含量有一定区别。
经过讨论协商，最终确定铌钨合金的成分与牌号如下[4,5]：

2.密度
材料的密度是航天发动机设计者选材时的重要指标，在其他条件相同的情况下，较低的密度意味着发动机重量更轻，有效载荷更大，在轨寿命更长，因此“轻质化”一直是航天发动机的重点优化方向。铌钨合金研制之初，就被定位成一种低密度、高强度的新型铌基合金。
铌钨合金的密度检测方法标准按照GB/T 3850 致密烧结金属材料硬质合金密度检测方法进行，具体方法采用电子天平和排水法分别测量出试样在空气中和水中的重量，利用公式（1）可以求出试样密度[6]。
ρ=M空/(M空-M水)×1g/cm3
(1)式中：ρ—试样的密度，g/cm3；M空—试样在空气中的质量，g；M 水—试样在水中的质量，g。
通过对以往数据的统计分析，铌钨合金的密度能够满足并稳定在 ≤9.0g/cm3范围，并能够稳定控制在 8.65 ～ 9.0g/cm3范围之内（密度的过程能力见图 3），因此《规范》规定，铌钨合金棒材的密度为 8.65 ～ 9.0g • cm-3。

3.力学性能
合金的力学性能是航天发动机设计者选材时的焦点，合金室温下的力学性能决定了合金的可加工性，高温力学性能则决定了航天发动机的工作性能和寿命。在铌钨合金之前，国内航天设计单位普遍采用的是WC-103合金，其工作温度定位在 1300℃。作为 WC-103 合金的替代材料，铌钨合金的工作温度被定位在1600℃，其高温力学性能远超 WC103 合金以及前苏联的5BMЦ合金[7]。
《规范》制定时，以两家生产单位积累的大量测试数据为依据，对两种牌号
铌钨合金室温、1600℃及 1600℃以上温
度环境下的力学性能进行了严格规定。
4.热处理制度
铌钨合金铸锭经挤压、锻造直至加工成成品棒材，中间需经过多次热处理，以消除加工应力，降低合金中间料的硬度，细化合金晶粒以及均匀化合金组织，因此热处理工艺对最终合金棒材的力学性能以及低倍组织等指标有重要影响，故《规范》规定了铌钨合金的热处理制度。需要注意的是，由于铌基合金易氧化，所有热处理均需在真空下进行[8,9]。
《规范》制定原则
《规范》按照 GJB0.1《军用标准文件编制工作导则第 1 部分：军用标准和指导性技术文件编写规定》和 GJB0.2《军用标准文件编制工作导则第 2 部分：军用规范编写规定》的要求，规定了铌钨合金（Nb521）的要求、质量保证规范、交货准备等。具体内容确定遵循以下原则[10,11]。
1.充分满足市场要求的原则
《规范》制定时 , 充分分析了 5 家航天用户单位多个技术协议中对铌钨合金铌钨合金棒材产品的使用要求，汇总综合后形成了统一的标准条款，并充分征求了现有和潜在用户单位的意见。因此可以充分满足市场需求，代表航天客户对军工产品质量的要求。
2.指导生产的原则
随着生产技术的逐渐成熟和航天技术的不断发展，应用铌钨合金棒材的发动机型号将越来越多，在国内外同类产品标准空缺的情况下，《规范》制定对规范铌钨合金棒材生产、提高产品质量的一致性和稳定性有重要的指导和促进作用。
3.适用性及先进性原则
《规范》制定时，广泛征求了用户单位的意见以及同类产品国家军用标准的相关要求，综合考虑了我国航天工业发展需求、铌钨合金棒材产业发展现状和后续趋势，从而使本标准在适用性的基础上体现先进性。

结语
随着我国综合国力的不断提升，航天工业将得到极大发展，铌钨合金应用势必不断增长。在这样的形势下，《航天用铌钨合金棒材规范》的制定和实施，对今后涂层产品标准化生产、技术进步以及质量保障方面，将发挥重要作用。

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