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嘉峪檢測網 2024-10-17 15:26
航空、航天及空間技術的高速發展離不開高溫結構材料的發展，高溫結構材料的發展是航天和空間技術發展的基礎和支撐。目前，高溫結構件材料中，高溫鈦合金高溫強度小，C/C復合材料可加工性差，鈮基高溫合金不僅強度高，而且加工性和抗氧化性好，但常規C103、Nb521 等鈮合金材料的密度大，而航空航天技術的發展要求材料不僅具有很高的高溫強度和優良的可加工性能， 而且材料的密度要小。
西北有色金屬研究院研發的低密度鈮基合金不僅密度ρ較?。?.0g/cm3≤ρ≤7.0g/cm3），而且高溫強度好（1200℃：40MPa≤Rm≤250MPa），同時焊接性能良好，能滿足高溫結構件小密度、易加工和焊接的要求。然而，這種低密度鈮基合金由于其密度和高溫強度的不同，合金化元素較多，材料對加工應力十分敏感，加工時易裂，特別是棒材鍛造時，由于材料表面受拉應力的影響，極易鍛裂，成品率極低，制備成本很高，阻礙了它的推廣應用。本文對這類合金的鍛造工藝進行了研究， 探討鍛造方式對合金性能的影響，以此提高合金成品率，降低制造成本。
1、試驗材料與方法
試驗材料采用西北有色金屬研究院的Nb-Ti-Al系合金擠壓棒坯料，其名義化學成分見表1。擠壓開坯溫度在1000～1150℃，擠壓比為4。首先打磨、酸洗清除干凈棒料表面的微裂紋， 鋸切干凈棒料尾部的擠壓縮尾， 然后用線切割從表面質量合格的棒料上切取試驗樣件，直徑鍛造前坯料為準100mm，鍛造成準70mm 的棒材，總變形量為51%。在1t空氣錘和2500t液壓錘上分別進行鍛造， 鍛造溫度為1050～1200℃，總變形量為40%。最后對鍛棒進行消應力退火和再結晶退火，退火工藝分別為1000℃×1h 和1150℃×1h。
力學性能測試在INSTRON1185 型室溫拉伸機上進行，金相試樣經研磨、拋光、腐蝕后在奧林巴斯PMG3 臥式金相顯微鏡下觀察合金的顯微組織，最后采用JSM-6460 鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行拉伸斷口分析。
2、實驗結果及討論
2.1 鍛造棒材的微觀組織
圖1為合金經空氣錘和液壓錘鍛造后的微觀組織。從圖1（a）、（b）可看出，合金用空氣錘鍛造時，棒材表面易出現晶間沿晶斷裂裂紋，變形不易深入，晶粒較粗大、不均勻；從圖1（c）可看出，相比于空氣錘鍛造，經液壓錘鍛造的棒材極易成形，其晶粒組織比較等軸、均勻。這是因為空氣錘是以沖擊力使坯料變形，打擊速度快，合金的內部應力得不到釋放，容易導致應力集中而開裂；液壓錘是以靜壓力代替了鍛錘的沖擊力，緩慢壓下過程中避免了對合金的振動，合金的應力容易得到釋放， 同時使合金中殘存的氣孔、縮松等微觀缺陷被鍛合在一起， 改善了合金的組織，使變形容易深入，合金組織更趨于均勻、細小、等軸。
2.2 棒材的力學性能
對空氣錘和液壓錘鍛造的棒材試樣分別在1000和1150℃下進行消應力和再結晶退火，然后測試其室溫力學性能。不同條件下合金的力學性能見表2。通過表2可發現：在空氣錘鍛造后并消應力退火，合金的抗拉強度為1002MPa，經過再結晶退火后合金的抗拉強度達到了1101MPa，抗拉強度提高了99MPa，斷后伸長率由12.0%提高到16.5%；液壓錘鍛造后在消應力狀態下合金的性能比較優良，抗拉強度在1104MPa，斷后伸長率達到了19.0%，超過了在空氣錘鍛造下合金在再結晶狀態的斷后伸長率，而再結晶退火后合金的性能提高不是很明顯。這是由于空氣錘鍛造，合金不易變形，晶粒比較粗大，不利于塑性的提高；用液壓錘鍛造時充分破除了原始的粗大組織，且使棒材內部的氣孔、疏松等缺陷進一步致密，合金中的各種偏析得到了很好改善，使得成分等進一步均勻化， 使合金的性能得到了更大的改善。
2.3 拉伸斷口分析
為了進一步研究合金的變形機理，研究了合金的斷裂行為，對合金的室溫拉伸斷口進行了分析，分別見圖2、3所示。通過觀察圖2發現，經空氣錘鍛造的拉伸試樣的斷口宏觀形貌上剪切唇較少， 微觀形貌上有韌窩存在，但較小、較淺，另外有明顯的像花瓣狀的撕裂棱和較短的、不連續的河流花樣存在，合金的斷裂形式表現為韌窩斷裂機制的同時伴有準解理斷裂機制，因此合金的塑性較差。觀察圖3發現，經液壓錘鍛造的拉伸試樣的斷口宏觀形貌上具有明顯的剪切唇標記，微觀形貌上有大量的韌窩存在，較深且較等軸，另外伴有個別撕裂棱存在，合金的斷裂形式主要表現為韌窩斷裂機制，合金的塑性較好。
通過對以上斷口形貌的比較和分析可發現，鍛造方式改善了合金的斷口形貌， 從而使合金的斷裂機制發生了改變。這是由于此類鈮基合金的塑性變形時的變形抗力受變形速率的影響較大，在相同的變形溫度下，變形速率越大合金的變形抗力就越高，越不易進行塑性變形，而塑性變形的過程實際上是晶體中位錯的運動和發展過程，塑性變形不易進行說明位錯滑移時易塞積，位錯的塞積會形成強烈變形區產生應力集中，易萌生裂紋。相比于液壓錘，空氣錘鍛造時的變形速率很大，變形過程中易產生顯微裂紋而形成河流花樣和撕裂變形。
3、結論
（1）改變鍛造工藝制備出了室溫力學性能良好的低密度高強鈮合金棒材。
（2）低密度高強鈮合金的合金化程度較高，對加工應力十分敏感，用空氣錘鍛造時，由于打擊頻率高，熱應力很大，合金極易發生表面晶間斷裂；液壓錘鍛造的應變速率小，可使變形深入，顯著改善合金的微觀組織，提高合金的塑性。
（3）低密度高強鈮合金經過液壓錘鍛造后，顯微組織晶粒比較細小、均勻；力學性能得到了很大的改善，拉伸斷口表現為韌性斷裂。
來源：西北有色金屬研究院
