基本介紹
- 中文名：鈮合金
- 熔點：2467℃
簡介,合金元素及強化機理,鈮合金的製備,發展,性能,強化途徑,加工,制錠,塑性加工,焊接,切削加工,
簡介
鈮合金是非常引人注目的高溫材料，它具有很好的高溫強度和良好的低溫塑性。另外，鈮還有小的熱中子吸收截面、抗液態金屬腐蝕和良好的超導電性(如Nb3Sn金屬間化合物、鈀-錯合金和鈮-鈦合金)等一系列優異特性，使鈮合金被認為是最有發展前途的高溫材料之一。
合金元素及強化機理
合金化是改善金屬鈮性能的最重要措施。向鈮中加入合金元素可以獲得材料的特殊性能，如如提高強度、改善抗氧化性能、提高塑性和工藝性能等。有兩類元素可以影響鈮的性能，一類是金屬元素，另一類是氧、氫、氮、碳碳等間歇歇元素。金屬元素主要是元素周期表中的M。族族元素Cr、Mo、W，V。族元素V和Ta，N族元元素T、Zr、Hf以及Al、Si、Sn等。它們可以一種或者多種金屬加入，形成兩元或者多元合金，其強化機理是依靠固溶強化、沉澱強化和加工硬化等來實現的。間歇元素是室溫下鈮的最強的強化劑，它們只有在存在有易於生成氧化物、氮化物、碳碳化物的元素(主要是Ti、Zr、Hf)時，才能對鈮的強度產生積極影響。
鈮合金的製備
鈮合金的工業生產，首先將粉末製成合金坯條，然後進行高溫燒結法或熔鑄法獲得錠坯或鑄件，但以熔鑄法用得最多，熔鑄法又以電子東熔煉和電弧爐熔煉為主。
鈮合金坯條的生產一般有還原法和粉末治金法兩種。還原法又稱一次還原法，是將五氧化二鈮加入還原劑碳化鈮和合金元素，經配料混合，壓製成型，在真空爐內還原，獲得合金坯條。
粉末冶金法也稱二次還原法，是先採用碳熱還原法獲得金屬鈮粉，然後加入合金元素，經真空還原而獲得合金坯條鈮合金燒結或熔鑄的裝備與金屬鈮的一樣，用於鈮合金坯料燒結的主要設備有真空垂熔爐和真空中頻感應爐，用於熔鑄的裝備主要採用電子東熔煉爐和真空自耗電弧爐。鈮合金的燒結或熔鑄工藝與金屬的工藝也很相似，這裡不再重述。
發展
20世紀50年代中期到60年代初主要發展具有優異抗氧化性能的和具有高強度的兩類鈮合金。以後開始發展加工和焊接性能好的中強度鈮合金，並加強了鈮合金抗氧化保護塗層的研究。中國於1958年開始鈮的生產工藝研究，1963年開始鈮的工業生產，已生產低強、中強等多種牌號的鈮合金。
性能
鈮合金在低溫下（-196℃）仍有較好的塑性。同鉬和鎢相比，鈮的合金元素種類多，加入量高。工業規模生產的鈮合金有十餘種。作為結構材料的鈮合金主要分三類：高強合金(如Nb-30W-1Zr、Nb-17W-4Hf-0.1C、Nb-20Ta-15W-5Mo-1.5Zr-0.1C)、中強合金及低強高塑性合金。
強化途徑
鈮的主要強化途徑是固溶、沉澱和形變熱處理。在鈮合金中，含有合金元素鎢和鉬可顯著提高其高溫和低溫強度，但含量過多則會降低合金工藝性能。鉭是中等強化元素,且能降低合金的塑性-脆性轉變溫度。鈮合金強化的另一個途徑是加入鈦、鋯和鉿以及一定比例的碳，形成彌散的碳化物相，進行沉澱強化。此外，這些活性元素還能改善其他性能，如鈦可明顯改善合金的抗氧化和工藝性能；鉿和鋯可提高合金的抗熔融鹼金屬腐蝕性能；鉿能顯著改善合金的抗氧化性能和焊接性能。高強鈮合金一般都含有大量固溶元素（鎢、鉬、鉭等）進行固溶強化，同時也採用沉澱強化使合金具有高強度（見金屬的強化）。這些合金塑性加工較困難，需要嚴格控制變形工藝參數。中強合金除 Nb-10W-1Zr-0.1C合金含有碳化物沉澱強化相外，其他品種是加入中等含量的固溶強化元素以保證具有優良的綜合性能。低強合金只要加入適量的鈦、鋯和鉿，就可以保證合金具有優異的加工性能。
鈮的高溫抗氧化性能很差,在600℃左右就開始迅速氧化。雖然發展出像 WC-3015（Nb-15W-4Ta-28Hf-2Zr-0.1C）這樣的具有一定抗氧化性能的高強鈮合金，然而遠不能滿足實際要求，仍需依靠高溫抗氧化塗層來保護。保護鈮合金效果較好的是Si-Cr-Fe系、Cr-Ti-Si系和Al-Cr-Si系塗層。
加工
制錠
可採用粉末冶金和真空熔煉兩種工藝方法。與熔煉法相比，粉末冶金法成本高、提純效果差，一般已很少採用。熔煉法可獲得純度高、成分和性能均勻的錠坯。製取純鈮錠常用電子束熔煉法。鈮合金錠坯的製取一般採用電子束-自耗電弧爐雙聯熔煉工藝,即採用氫化-脫氫的鈮粉與合金元素粉混合後製成電極,在電子束爐中熔煉進行提純，分析合金元素含量並進行調整，再經真空自耗電弧爐熔煉成成分均勻的鑄錠。易揮發的合金元素(如鈦、釩、鋁、鉻等)宜在自耗電弧熔煉時添加。
塑性加工
可採用擠壓、鍛造、軋制等方法製取棒材、板材、帶材、箔材、管材、絲材和異型材。間隙元素含量低的純鈮，可在室溫下進行鍛造開坯後再經塑性加工成製品。強度較高的鈮合金則必須在高於1000℃的溫度下進行熱開坯後再進行成品塑性加工。
熔煉法製取的鈮合金錠晶粒粗大，需通過擠壓使之破碎後才能進行成品加工。為充分破碎粗大的鑄態晶粒，擠壓比一般不小於4。高溫下間隙元素氧、氮和氫,特別是氧極易和鈮合金髮生反應。合金氧化後，不僅表面生成疏鬆的氧化皮，而且氧能滲入合金基體內形成堅硬的滲透層，使塑性加工發生困難。因此，鈮合金在擠壓開坯以及其他熱加工過程中必須採取金屬包套、塗層或惰性氣體保護加熱等措施。鈮合金特別是純鈮在拉伸過程中易與模具粘結，因此須先進行陽極氧化處理，使工件表面生成緻密的氧化膜並使用潤滑劑。
焊接
和鎢、鉬合金相比，鈮合金特別是低強和中強鈮合金具有優異的焊接性能。常用的焊接方法有電子束焊和鎢電極惰性氣體保護焊。對間隙元素污染不那么敏感的 Nb-10Hf-0.7Zr-1Ti等合金，可在焊箱外用惰性氣體進行保護焊接。鈮合金焊件往往要進行退火以消除應力，提高焊件的塑性。 熱處理 鈮合金的熱處理應在10-4～10-5托真空下進行。熱處理主要是再結晶和消除應力退火，有些合金還採用均勻化退火、固溶和時效處理。熱處理前必須對工件表面進行嚴格清理，以保證工件質量。
切削加工
鈮及某些鈮合金在切削加工時，工件很容易與刀具粘結並產生表面氧化，應採用低速切削並使用冷卻液冷卻。
