[发明专利]一种新型高温高比强度铌合金丝材的加工工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型高温高比强度铌合金丝材的加工工艺。

背景技术

随着航空航天技术的不断发展，宇航材料的性能要求在不断提高。在各国所研发出的钽、铌、钼、钨等多种高温合金材料中，铌系列合金以其优良的高温力学性能、可加工性能以及低密度、低成本等在宇航材料中一直占据着重要地位。

美国在1965年研制的牌号C103铌合金使用温度为1400℃、短时1500℃，在1500℃下拉伸强度还有42MPa，是任何铁基、镍基合金无法匹敌的，该合金被广泛应用于航天器耐热结构，包括各类卫星、飞船用辐射冷却轨、姿控推力室室壁材料。但随着空间技术的发展，对发动机提出更高性能要求，相应要求材料有更高使用温度，国外一方面寻找耐温更高的材料，如80年代研制成功的铼基(铱涂层)材料，工作温度可高达2200℃，但这类材料比铌合金重很多、且原料稀少、加工工艺复杂。另一发展方向是改进现有铌合金、提高其使用温度，美国又研制出如Nb-W-Mo-Zr系列等可焊高强铌合金，其1750℃时拉伸强度与C103合金1500℃时相当，使用温度短时可达1650℃以上；苏联在这一时期也主要集中对Nb-W-Mo-Zr系列铌合金进行研究，如牌号5вмц铌合金，其1700℃是拉伸强度达到60MPa左右。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型高温高比强度铌合金丝材的加工工艺，能够显著提高金属铌的高温力学性能，而且性能稳定、成份均匀，在1400℃时拉伸强度能达到190MPa。

一种新型高温高比强度铌合金丝材的加工工艺，其特别之处在于，包括如下步骤：

(1)棒坯旋锻：将铌合金铸锭经挤压或锻造加工制得直径mm的棒坯，经多道次旋锻和热处理，加工至直径的线坯；其中每道次旋锻加工率控制在10％—25％之间；

其中每道次旋锻加工后进行一次酸洗除油：配置混合酸，然后酸洗去除得到的线坯上的附着物；

其中每道次旋锻加工后进行一次中间热处理：热处理温度为1400—1550℃，保温时间为60—120min；而两次热处理间的总加工率控制在50％—85％之间；

(2)表面氧化覆膜：在大气气氛或有氧气氛的电阻炉内覆膜，控制覆膜温度400—600℃，覆膜时间5—20min；

(3)丝材拉拔：将得到的直径线坯经过多道次拉拔和两次热处理，制得直径的成品丝材；其中每道次拉拔加工率控制在10％—30％之间，两次热处理间的总加工率控制在50％—90％之间；

(4)酸洗：配置混合酸，然后酸洗去除步骤(5)得到的成品丝材上的附着物；

(5)成品热处理：热处理温度为1300～1450℃，保温时间为60～120min。

步骤(1)和(4)中配置的混合酸均为按照体积比HNO₃：HF：H₂O＝10：1：5的混合酸。

本发明工艺中采用的新型高温高比强度铌合金(牌号Nb521)以金属铌作为基体，添加钨、钼和锆等高熔点金属元素，该工艺得到的丝材通过固溶强化和沉淀强化的典型强化方式显著提高了金属铌的高温力学性能，而且性能稳定、成份均匀，在1400℃时拉伸强度达到190MPa，比C103合金高出近4倍；在1600℃时拉伸强度达到70MPa以上，在1800℃时拉伸强度仍保持有50MPa以上，该新型铌合金将航空航天耐热结构材料工作温度提高200℃以上。

具体实施方式

随着空间技术的发展，现有材料无法满足1500℃及更高使用温度条件下使用。而本发明工艺对新型高温高比强度铌合金(原料组分为Nb-5Mo-2Zr-1C，牌号Nb521)棒坯经旋锻、表面覆膜和拉拔加工，配以合适的热处理工艺和酸洗除油工艺，得到应用于火箭及导弹姿控和轨控发动机材料等高温特殊环境使用的螺套坯料——直径的丝材。本发明工艺将Nb521合金棒坯通过旋锻加工方式获得直径的线坯；再经表面覆膜处理和拉拔，获得表面光亮、尺寸精度高的成品丝材。

本发明工艺的主要优点是：通过采用旋锻加工方式的三向压应力受力状态充分发挥Nb521合金这种强硬度高、塑性低材料的加工性能；通过合适的热处理工艺，达到消除材料内部应力、恢复塑形、以实现继续加工的目的；对热处理后的线坯进行表面覆膜，在线坯基体表面和拉拔模模孔间形成一层隔离膜，避免出现丝材表面粘膜等影响拉拔加工进行的缺陷；通过拉拔加工，可以制得尺寸精度高、表面光亮的成品丝材。

实施例1：

本发明铌合金棒材的加工步骤为：