航空、航天及空间技术的高速发展离不开高温结构材料的发展，高温结构材料的发展是航天和空间技术发展的基础和支撑。目前，高温结构件材料中，高温钛合金高温强度小，C/C复合材料可加工性差，铌基高温合金不仅强度高，而且加工性和抗氧化性好，但常规C103、Nb521 等铌合金材料的密度大，而航空航天技术的发展要求材料不仅具有很高的高温强度和优良的可加工性能， 而且材料的密度要小。     

 

      西北有色金属研究院研发的低密度铌基合金不仅密度ρ较小（5.0g/cm3≤ρ≤7.0g/cm3），而且高温强度好（1200℃：40MPa≤Rm≤250MPa），同时焊接性能良好，能满足高温结构件小密度、易加工和焊接的要求。然而，这种低密度铌基合金由于其密度和高温强度的不同，合金化元素较多，材料对加工应力十分敏感，加工时易裂，特别是棒材锻造时，由于材料表面受拉应力的影响，极易锻裂，成品率极低，制备成本很高，阻碍了它的推广应用。本文对这类合金的锻造工艺进行了研究， 探讨锻造方式对合金性能的影响，以此提高合金成品率，降低制造成本。

 

1、试验材料与方法 

 

      试验材料采用西北有色金属研究院的Nb-Ti-Al系合金挤压棒坯料，其名义化学成分见表1。挤压开坯温度在1000～1150℃，挤压比为4。首先打磨、酸洗清除干净棒料表面的微裂纹， 锯切干净棒料尾部的挤压缩尾， 然后用线切割从表面质量合格的棒料上切取试验样件，直径锻造前坯料为准100mm，锻造成准70mm 的棒材，总变形量为51%。在1t空气锤和2500t液压锤上分别进行锻造， 锻造温度为1050～1200℃，总变形量为40%。最后对锻棒进行消应力退火和再结晶退火，退火工艺分别为1000℃×1h 和1150℃×1h。

 

      力学性能测试在INSTRON1185 型室温拉伸机上进行，金相试样经研磨、抛光、腐蚀后在奥林巴斯PMG3 卧式金相显微镜下观察合金的显微组织，最后采用JSM-6460 钨灯丝扫描电子显微镜进行拉伸断口分析。

 

2、实验结果及讨论 

 

2.1 锻造棒材的微观组织

 

      图1为合金经空气锤和液压锤锻造后的微观组织。从图1（a）、（b）可看出，合金用空气锤锻造时，棒材表面易出现晶间沿晶断裂裂纹，变形不易深入，晶粒较粗大、不均匀；从图1（c）可看出，相比于空气锤锻造，经液压锤锻造的棒材极易成形，其晶粒组织比较等轴、均匀。这是因为空气锤是以冲击力使坯料变形，打击速度快，合金的内部应力得不到释放，容易导致应力集中而开裂；液压锤是以静压力代替了锻锤的冲击力，缓慢压下过程中避免了对合金的振动，合金的应力容易得到释放， 同时使合金中残存的气孔、缩松等微观缺陷被锻合在一起， 改善了合金的组织，使变形容易深入，合金组织更趋于均匀、细小、等轴。

 

 

2.2 棒材的力学性能     

 

     对空气锤和液压锤锻造的棒材试样分别在1000和1150℃下进行消应力和再结晶退火，然后测试其室温力学性能。不同条件下合金的力学性能见表2。通过表2可发现：在空气锤锻造后并消应力退火，合金的抗拉强度为1002MPa，经过再结晶退火后合金的抗拉强度达到了1101MPa，抗拉强度提高了99MPa，断后伸长率由12.0%提高到16.5%；液压锤锻造后在消应力状态下合金的性能比较优良，抗拉强度在1104MPa，断后伸长率达到了19.0%，超过了在空气锤锻造下合金在再结晶状态的断后伸长率，而再结晶退火后合金的性能提高不是很明显。这是由于空气锤锻造，合金不易变形，晶粒比较粗大，不利于塑性的提高；用液压锤锻造时充分破除了原始的粗大组织，且使棒材内部的气孔、疏松等缺陷进一步致密，合金中的各种偏析得到了很好改善，使得成分等进一步均匀化， 使合金的性能得到了更大的改善。

 

 

 

2.3 拉伸断口分析   

 

      为了进一步研究合金的变形机理，研究了合金的断裂行为，对合金的室温拉伸断口进行了分析，分别见图2、3所示。通过观察图2发现，经空气锤锻造的拉伸试样的断口宏观形貌上剪切唇较少， 微观形貌上有韧窝存在，但较小、较浅，另外有明显的像花瓣状的撕裂棱和较短的、不连续的河流花样存在，合金的断裂形式表现为韧窝断裂机制的同时伴有准解理断裂机制，因此合金的塑性较差。观察图3发现，经液压锤锻造的拉伸试样的断口宏观形貌上具有明显的剪切唇标记，微观形貌上有大量的韧窝存在，较深且较等轴，另外伴有个别撕裂棱存在，合金的断裂形式主要表现为韧窝断裂机制，合金的塑性较好。

 

 

      通过对以上断口形貌的比较和分析可发现，锻造方式改善了合金的断口形貌， 从而使合金的断裂机制发生了改变。这是由于此类铌基合金的塑性变形时的变形抗力受变形速率的影响较大，在相同的变形温度下，变形速率越大合金的变形抗力就越高，越不易进行塑性变形，而塑性变形的过程实际上是晶体中位错的运动和发展过程，塑性变形不易进行说明位错滑移时易塞积，位错的塞积会形成强烈变形区产生应力集中，易萌生裂纹。相比于液压锤，空气锤锻造时的变形速率很大，变形过程中易产生显微裂纹而形成河流花样和撕裂变形。

 

3、结论 

 

  （1）改变锻造工艺制备出了室温力学性能良好的低密度高强铌合金棒材。

 

  （2）低密度高强铌合金的合金化程度较高，对加工应力十分敏感，用空气锤锻造时，由于打击频率高，热应力很大，合金极易发生表面晶间断裂；液压锤锻造的应变速率小，可使变形深入，显著改善合金的微观组织，提高合金的塑性。

 

  （3）低密度高强铌合金经过液压锤锻造后，显微组织晶粒比较细小、均匀；力学性能得到了很大的改善，拉伸断口表现为韧性断裂。

 

 

来源：西北有色金属研究院

关键词： 锻造 铌合金 微观组织