简介概要

铌基合金高温强化的研究

来源期刊：稀有金属2008年第5期

论文作者：郑欣张廷杰李中奎付洁

关键词：铌合金; 固溶强化; 时效强化; 高温性能;

摘要：研究了一种用于高温结构材料的铌基合金及其高温强化方法.经过试验,总结出两种强化方法:一是固溶强化,通过添加高熔点的W,Mo元素,形成合金化固溶体,从而提高了材料的高温蠕变性能;二是时效强化,通过加入C和Zr元素生成碳化物强化相.并研究C,Zr元素含量、热处理工艺及压力加工方法对时效强化的影响,分析得知,C含量控制在0.01%～0.13%,可以得到适量的碳化物强化相,在1600～1900℃下保温6～18 h热处理,可以使碳化物均匀分布.大变形量的压力加工方法可以使碳化物强化相进一步破碎,从而细化.经上述方法强化处理后的材料,其高温性能测试结果证实,此方法效果较为显著.

稀有金属 2008,(05),548-551 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.05.006

铌基合金高温强化的研究

郑欣李中奎张廷杰

西北有色金属研究院新材料研究所

摘要：

研究了一种用于高温结构材料的铌基合金及其高温强化方法。经过试验, 总结出两种强化方法:一是固溶强化, 通过添加高熔点的W, Mo元素, 形成合金化固溶体, 从而提高了材料的高温蠕变性能;二是时效强化, 通过加入C和Zr元素生成碳化物强化相, 并研究C, Zr元素含量、热处理工艺及压力加工方法对时效强化的影响, 分析得知, C含量控制在0.01%～0.13%, 可以得到适量的碳化物强化相, 在1600～1900℃下保温6～18h热处理, 可以使碳化物均匀分布, 大变形量的压力加工方法可以使碳化物强化相进一步破碎, 从而细化。经上述方法强化处理后的材料, 其高温性能测试结果证实, 此方法效果较为显著。

关键词：

铌合金;固溶强化;时效强化;高温性能;

中图分类号： TG146.416

收稿日期：2007-11-20

Study on High-Temperature Strengthening of Nb-Based Alloy

Abstract：

A kind of Nb-based alloy was used as high-temperature structural materials and its high-temperature strengthening methods were mainly studied in present paper. Two methods were summarized depending on many experiments. One was called solid solution strengthening, i.e. W and Mo were added in the Nb based alloy to form alloying solid solution in order to improve its high-temperature creep properties. The other one was aging strengthening, i.e. C and Zr were added in the alloy to form carbide strengthening phase. And the effect of C and Zr content and processes of heat treatment and press-working on aging strengthening was also investigated. The results showed that proper carbide strengthening phases could be obtained, when C content was controlled in the range between 0.01% and 0.13%. The carbide would distribute uniformly, when heat treatment was carried out at 1600～1900 ℃ for 6～8 h. And carbide strengthening phases would be further broken by large deformation for refinement. The high-temperature performances of the materials strengthened by the two methods were tested to be remarkable.

Keyword：

Nb-based alloy; solid solution strengthening; ageing strengthening; high temperature performance;

Received： 2007-11-20

随着航空、航天技术的高速发展, 要求发动机材料轻量化, 而且必须适应更高工作温度下的使用要求。铌合金密度小、熔点高, 具有优异的高温力学性能且加工性能良好, 因此, 可作为高温结构材料。现有发动机用C103合金, 连续使用温度上限为1400 ℃ ^[1,9] 。本文根据材料在1650 ℃下使用的要求, 经过试验, 总结出提高铌合金在该温度下高温强度的方法, 主要是添加高熔点的W, Mo元素形成合金化固溶体进行固溶强化, 同时加入C, Zr元素生成碳化物进行时效强化。

1 实验

试验用Nb-W-Mo-Zr合金, 其成分范围 (质量分数) 为: Nb-W (4.8～5.2) -Mo (1.8～2.3) -Zr (0.7～1.2) , 经过预烧结、电子束熔炼、真空电弧熔炼、压力加工、热处理等工艺制成板材。主要方法: 一是在预合金的烧结过程中加入少量的C, 并根据Zr成分的添加, 调整C含量的范围在0.01%～0.13%, 来控制烧结条中第二相的生成; 二是通过加工过程中各工艺参数的控制, 目的是生成稳定的碳化物沉淀相, 获得较好的高温强度。

2 结果与分析

高温强度不同于室温强度, 它更依赖于原子扩散能力, 只有那些能提高原子间结合力, 降低扩散系数, 提高再结晶温度的元素, 才会有更佳的提高高温强度的作用。一方面, 高熔点的元素将对固溶强化更有利, 高熔点的钨、钼具有较强的提高高温持久性能的作用; 另一方面, 大量理论和实践证明, 高温合金主要依赖于第二相强化 ^[2] 。

2.1 固溶强化

2.1.1 固溶元素的加入对高温性能和沉淀相析出的影响

固溶强化是提高铌合金高温性能的一个重要手段。通过在Nb基体中添加高熔点的W, Mo元素形成合金化固溶体, 可以使原子的自扩散作用变得缓慢, 有利于降低扩散蠕变的速率 ^[3] 。除产生固溶强化作用外, 还因为合金元素的加入使层错能降低, 易形成扩展位错, 使位错难以产生交滑移和攀移, 且溶质原子与溶剂原子的结合力较强, 增大了扩散激活能, 从而提高蠕变极限。经过对抗拉强度和维氏硬度的试验数据显示, 在1200 ℃下, 纯铌的抗拉强度在70 MPa左右, 加入5%～6%的W和2%～3%的Mo形成合金化之后, 材料的抗拉强度提高到130 MPa左右, 同时维氏硬度也提高了90～100。

当沉淀相从固溶体中析出时, W, Mo元素能够减慢其析出过程, 对生成稳定的沉淀相是有利的, 但试验数据显示, 过量的W, Mo元素对高温强度不利, 因此, 根据实际需要和工艺条件, 我们总结出, 将W, Mo元素的加入量 (质量分数) 分别调整在4.8%～5.2%和1.8%～2.3%之间, 可以达到理想的效果。

2.1.2 固溶处理制度对沉淀相析出的影响

固溶处理的目的除了使添加相尽量溶入基体中, 得到单相组织之外, 还要给以后的时效强化析出稳定、均匀的沉淀相做准备, 因为W和Mo元素对中间碳化物相的组成和析出起着十分重要的作用。一般来说, 升高固溶温度和延长保温时间有利于相的固溶, 但固溶温度升高, 合金晶粒长大, 甚至于低熔点共晶相的熔化, 都对强化不利 ^[4] , 因此, 固溶温度不能过高。我们根据合金成分和使用条件, 并且考虑到为了获得弥散分布的沉淀相组织的需要, 选择在2100～2400 ℃下, 保温4～5 h, 随炉冷却。

用该方法制得的预合金条, 在扫描电镜下观察, 如图1所示: 基体中有细小的链状碳化物生成, 从图中可以看出, 此时的碳化物分布还不均匀。

2.2 时效强化

高温下, 元素的扩散速度加快, 降低了固溶强化效果, 为了提高高温强度, 时效强化成为主要的强化途径。这是因为, 时效强化不同于固溶强化, 其生成的沉淀相在高温下具有更好的强化效果。时效强化的主要合金元素是Zr, 其强化相为它的碳化物、氧化物等。目前, 研究较多的方法是用碳化物来强化 ^[5] , 微细而稳定的活性金属Zr的碳化物沉淀相是获得铌基合金高温强度的最有效方法, 而且通过合金元素的添加量、热处理以及压力加工工艺进行综合控制, 可以达到最佳的时效强化效果。

图1 合金条中的沉淀相

Fig.1 Precipitation in sintered alloy bar

2.2.1 Zr, C元素含量对时效强化的影响

少量的Zr能使生成的碳化物相具有高的稳定性, 并可降低碳在基体中的溶解度。如果添加过量的Zr对合金的蠕变性能不利, 添加量过少又将使碳化物颗粒粗大对强度和塑性不利 ^[6] 。研究发现, 合金中碳含量由0.02%增加到0.05%时, 碳化物沉淀相数量增加, 强度也提高, 但碳含量增加至0.13%强度反而下降, 这是由于生成ZrC时C过量而 Zr含量不足, 引起了大块的Nb₂C颗粒出现。可见, 为了保证高温强度, 铌合金中活性金属和碳的原子比应保持一定的数值。我们采用的方法为, 根据Zr含量的添加, 调整C含量的范围在0.01%～0.13%之间。

2.2.2 通过热处理工艺控制晶粒大小和时效强化

晶粒尺寸是影响材料力学性能的主要因素之一, 细化晶粒是唯一可以同时提高材料常温强度、硬度和塑性、韧性的方法, 但对于材料的高温力学性能其影响并非如此。当使用温度低于等强温度时, 细化晶粒可以提高强度, 当使用温度高于等强温度时, 粗化晶粒可以提高蠕变极限和持久强度, 但是晶粒太大又会降低高温塑性和韧性 ^[7] 。所以进行热处理时应考虑采用一定的加热温度, 以满足晶粒度的要求。经大量试验得知, 合金在固溶处理后再进行一次均匀化热处理, 使碳化物呈断续链状析出, 可使持久强度和蠕变性能进一步提高。根据在不同的时效温度下的热处理发现, 在1600～1900 ℃下, 保温6～18 h, 既可以满足晶粒度的要求, 又可获得较好的碳化物沉淀相。如图2所示, 对比图1中的沉淀相可以发现, 链状碳化物沉淀相变成针状析出, 并且通过热处理前后沉淀相的SEM和TEM观察发现, 经过均匀化处理后沉淀相的分布明显变得细小、均匀。

2.2.3 通过压力加工对沉淀相的控制

在铌合金中单靠Zr, C元素生成碳化物沉淀相还不够, 还要控制沉淀相的颗粒粒度大小和均匀性, 这就需要通过热处理和压力加工来共同控制实现。为了得到更好的高温强度, 必须考虑对均匀化处理后的针状碳化物沉淀相进一步微细化 ^[8,10] 。因此, 采用了大变形量的压力加工方法, 主要是通过挤压、锻造、轧制等工序打碎并改变碳化物分布状况。

经过压力加工后的碳化物的扫描电镜形貌如图3所示, 可以看出细小的碳化物颗粒弥散分布于晶内, 较大的片状碳化物分布于晶界, 它们在高温变形时起到了钉扎晶界和位错, 提高材料高温强度的作用。

2.3 强化处理后的高温性能

2.3.1 高温拉伸性能

将板材加工成25 mm×3 mm的高温拉伸样品, 在1600～1800 ℃下, 以24 ℃·min^-1的速度进行拉伸试验, 结果如表1所示。

从表中可以看出, 随试验温度升高, 极限断裂强度和屈服强度降低, 延伸率升高, 在1650 ℃的使用温度下, 具有较好的拉伸性能。

2.3.2 高温蠕变性能

图4为该铌合金在1650 ℃下, 加载4 MPa的应力时的蠕变曲线, 从图中可以看出, 随着时间的推移至20 h, 变形仍处于蠕变的稳态阶段。为了进行对比试验, 还做了更高温度和应力下的试验, 在1800 ℃下, 加载14 MPa的应力3 h后, 仍未出现断裂, 应变小于10%。证明该合金在使用温度下, 能承受较高的蠕变抗力, 具有较高的持久强度。正是因为弥散分布的碳化物沉淀相的存在, 使得位错运动在一定程度上受阻, 产生塞积, 降低了继续滑动的可能性, 而且分布在晶界上的较大的片状碳化物, 可以对晶界产生一定的钉扎作用, 使晶界的滑动不易进行, 这些都能够阻碍塑性变形的产生。

图2 热处理前后沉淀相的扫描电镜和透射电镜照片

Fig.2 Images of the precipitation before and after heat treatment Before heat treatment: (a) SEM; (b) TEM;After treatment: (c) SEM; (d) TEM

图3 压力加工后的沉淀相

Fig.3 Precipitation after press working

表1 强化处理后的高温拉伸性能

Table 1High temperature tensile properties after strengthening treatment

Sample No.	T/℃	R_p0.2/MPa	R_m/MPa	A₅/%
1	1600	81.2	92.3	32.9
2	1650	64.4	68.8	33.4
3	1700	60.8	61.9	33.4
4	1800	59.4	60.4	34.9

图4 1650 ℃铌合金蠕变曲线

Fig.4 Creep curve of niobium alloy at 1650 ℃

3 结论

通过对用于高温结构材料的铌合金强化机制的研究, 总结出提高该合金高温强度的方法, 主要是通过钨、钼固溶强化的同时加入锆和碳形成弥散强化, 并分析了强化过程中的各种影响因素以及控制方法, 得到了较为理想的强化效果。对于铌合金的长期应用来说, 今后大量的工作重点还在于组织稳定性的研究方面, 以满足不断发展的高温结构材料对强度的更高要求。