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Nb521 铌钨合金组织性能及其应用研究

发布时间:

2025-01-13

0 引言

我国研制的 Nb521 铌钨合金( Nb-5W-2Mo-1Zr) 与原苏联 5BMV 合金相似。5BMV 合金在前苏联应用于双元液体火箭发动机推力室身部的制造,在硅化钼高温抗氧化涂层的保护下推力室的工作温度可达到 1 550℃左右,大幅度减少了用于冷却燃烧室的推进剂流量,有利于提高发动机的性能。

随着型号研制的需用,Nb521铌钨合金在我国航天领域的使用更加广阔,不但双元液体火箭发动机上使用,其他高速飞行器某些高温部件也开始使用。本文针对该合金的室温、高温性能及组织变化进行研究,并通过旋压的方法试制发动机用喷管延伸段,对该材料的高温性能及室温成形性等工艺性能进行研究。

1 实验

1. 1 材料

Nb521 铌钨合金板材、棒材,为再结晶状态,成分见表1。

1. 2 实验方法及分析

将再结晶态的 Nb521 铌钨合金板材、棒材加工成室温和高温拉伸试样,分别在室温和高温拉伸试验机上进行拉伸试验,以测定 Nb521 铌钨合金室温力学性能。通过 X 射线衍射的方式对 Nb521 铌钨合金中的碳化物强化相进行标定。将 Nb521 铌钨合金加工成小试条( Ф3 mm ×100mm) ,然后在小试条表面渗制高温抗氧化涂层,用通电加热的方法,分别在 1 450、1 500、1 550、1 600、1 700 及 1 800℃长时间保温,用扫描电镜观测分析高温长时间保温时强化相的变化,并通过透射电镜对析出的强化相进行标定。高温拉伸试样表面制备抗氧化涂层后测定其高温拉伸性能。

2 结果及分析

2. 1 室温力学性能及组织

2. 1. 1 室温力学性能

表 2 为 Nb521 铌钨合金板材、棒材的室温力学性能。由表 2 可知,该材料室温时具有良好的塑性,适于通过旋压等塑性加工的方法成形零件。

2. 1. 2 室温组织

图 1 为再结晶态 Nb521 铌钨合金板材、棒材的室温组织,可以看出为等轴的再结晶组织。图 2 为成品板材中碳化物的扫描电镜形貌照片,可以看出细小的碳化物弥散分布于晶内,较大的片状碳化物分布于晶界。这些碳化物在高温变形时起到钉扎晶界和位错、提高板材高温强度的作用。

铌钨合金中存在 MC、M2C 及 M3C2等多种类型碳化物,微细而稳定的碳化物、氮化物和氧化物弥散相对铌合金是一种最有效的高温强化法[1],铌钨合金中碳化物强化相为弥散分布的 ( Nb,Zr) C 和 Nb2C[2]。通过 X 射线衍射的方法对板材中的碳化物进行了标定,标定结果为 ZrC。ZrC 为弥散分布的稳定相,对铌钨合金主要起到弥散强化的作用。

2. 2 高温性能及组织

2. 2. 1 高温力学性能

表 3 为 Nb521 铌钨合金板材、棒材的高温力学性能。发动机推力室要求 1 600℃时材料的抗拉强度一般不低于 60 MPa,由表 3 可知,该新材料具有很好的高温性能,完全满足发动机推力室的使用要求。

2. 2. 2 高温组织

图 3 为铌钨合金在 1 450、1 500、1 550℃ 时分别保温 8 h 后的扫描照片。

由图 3 可见,随着加热温度的提高,强化相开始析出并聚集长大。碳化物作为铌钨合金的高温强化相,只有在其弥散分布的时候才能起到好的高温强化作用,它的聚集和长大必将导致铌钨合金高温强度的下降。图 4 中的高温力学性能曲线也说明了强度下降与温度的关系。图 5 为铌钨合金在 1 600、1 700℃保温 11 h 和 1 800℃ 保温 17 h 后的扫描电镜照片。可以看出,当铌钨合金在 1 600℃长时间加热情况下,析出的碳化物相形态几乎成为球状,沿晶界分布。

当保温时间相同时,随着温度的提高,碳化物在亚晶界及基体上析出并长大,碳化物的形态也不再是球形,而是有一定的晶体学取向。

3 Nb521 铌钨合金在液体火箭发动机上的应用

3. 1 发动机身部用喷管延伸段的旋压成形

图 6 所示工件为用铌钨合金板材经过旋压成形的喷管 延 伸 段,该 工 件 高 为 950 mm,喷 口 直 径 为Ф650 mm,最小端直径为 Ф60 mm,壁厚由 1. 5 mm 向喷口处 0. 55 mm 均匀过渡。

通过旋压试验,新研制的铌钨合金室温成形性能良好,该材料的极限变薄率应在 70% 左右。

 

3. 2 Nb521 铌钨合金身部

用 Nb521 铌钨合金研制的发动机身部,经过表面喷涂高温抗氧化涂层后,进行了数小时热试车试验。图 7 中为身部热试车时高温部分外观图,其中温度最高的部位位喉部( 直径最小处) 。图 8 为与喉部相对应的 Nb521 铌钨合金的组织。图 8 中铌钨合金的组织与图 3( c) 合金微观组织最为接近,因此可以判断发动机推力室身部在工作时高温部分的温度应在 1 550℃左右。可见新研制的铌钨合金具有优异的高温性能,能完全满足发动机身部对材料高温性能的要求。

 

4 结论

( 1) Nb521 铌钨合金含有多种碳化物强化相,强化相的聚集和长大会使材料的高温强度降低。

( 2) Nb521 铌钨合金具有优异的室温塑性变形能力,能在室温成形较为复杂的工件。

( 3) Nb521 铌钨合金具有良好的高温力学性能,能满足发动机在1550℃的使用要求。

 

论文引用信息

宇航材料工艺 http: / /www. yhclgy. com 2012 年 第 1 期  Nb521 铌钨合金组织性能及其应用研究

 

 

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