專利名稱：一種鈮合金板材的加工工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈮合金板材的加工工藝。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，宇航材料的性能要求在不斷的提高。在各國 所研發(fā)出的鉭、鈮、鉬、鎢等多種高溫合金材料中，鈮系列合金以其優(yōu)良的高溫力學(xué)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據(jù)著重要地位。美國在1965年研制的牌號C103鈮合金使用溫度為1400°C、短時1500°C，在 1500°C下拉伸強(qiáng)度還有42MPa，是任何鐵基、鎳基合金無法匹敵的，該合金被廣泛應(yīng)用 于航天器耐熱結(jié)構(gòu)，包括各類衛(wèi)星、飛船用輻射冷卻軌、姿控推力室室壁材料。但隨著 空間技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機(jī)提出更高性能要求，相應(yīng)要求材料有更高使用溫度，國外一 方面尋找耐溫更高的材料，如80年代研制成功的錸基(銥涂層)材料，工作溫度可高 達(dá)2200°C，但這類材料比鈮合金重很多、且原料稀少、加工工藝復(fù)雜。另一發(fā)展方向是 改進(jìn)現(xiàn)有鈮合金、提高其使用溫度，美國又研制出如Nb-W-Mo-&系列等可焊高強(qiáng)鈮合 金，其1750°C是拉伸強(qiáng)度與C103合金1500°C時相當(dāng)，使用溫度短時可達(dá)1650°C以上； 蘇聯(lián)在這一時期也主要集中對Nb-W-Mo-&系列鈮合金進(jìn)行研究，如牌號5 β μ υ鈮合 金，其1700°C是拉伸強(qiáng)度達(dá)到60MPa左右。但是，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，上述現(xiàn)有材料 無法滿足更高使用溫度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種耐溫更高，且高溫拉伸 強(qiáng)度更大的鈮合金板材的加工工藝。一種鈮合金板材的加工工藝，其特征在于其工藝步驟為
a.將鈮合金鑄錠在中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行第一次加熱，然后擠壓開坯，酸洗，熱處 理，定尺下料后在中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行二次加熱，鍛造獲得軋制厚板坯；
b.將軋制厚板坯進(jìn)行第一次酸洗、修料和熱處理，溫軋后進(jìn)行第二次再次酸洗、修 料和熱處理，板坯冷軋后進(jìn)行第三次酸洗、修料和熱處理得成品坯；
c.將上述成品坯進(jìn)行成品軋制，成品酸洗，成品熱處理，板形校平，成品下料，表 面拋光后即可；
所述鈮合金鑄錠的原料組成為Nb-5W_2Mo-l& ；
上述a過程中第一次加熱的加熱溫度為1350°C 1450°C，保溫時間為10 15min， 第二次加熱的加熱溫度為加熱溫度為1300°C 1400°C，保溫時間為8 12min ；
上述a過程中在擠壓開坯前在鑄錠表面涂覆一層高溫防氧化涂料，涂敷厚度為0.2 0.3mm ；
上述a和b過程中的酸洗是采用HNO3 HF H2O= 5 1 1，該比例以體積比計(jì)； 上述a過程中的熱處理溫度為1400 1500°C，保溫時間為60 120min ；上述b過程中的三次熱處理?xiàng)l件分別為第一次熱處理溫度為1400 1500°C，保溫 時間為60 120min;第二次熱處理溫度為1350 1400°C，保溫時間為60 90min ；第 三次熱處理溫度為1300 1350°C，保溫時間為60 90min ；
上述b過程中的溫軋是指將厚板坯在600 650°C保溫60 90min后進(jìn)行寬向軋制， 軋制每道次壓下量為軋制前坯料厚度的0.08倍，軋制速度為2 3 m/min ；
上述b過程中的冷軋采用換向軋制，軋制每道次壓下量為軋制前坯料厚度的0.05 0.06倍，軋制速度為3 4 m/min ；
上述c過程中的成品軋制采用換向軋制；
上述c過程中的成品酸洗是采用HNO3 HF H2O= 10 1 5,該比例以體積比
計(jì)；
上述c過程中的成品熱處理的熱處理溫度為1400 1450°C，保溫時間為60 9 Omin ο本發(fā)明的鈮合金鑄件——牌號Nb521 Nb-5W-2Mo_lZr，是以金屬鈮作為基 體，添加鎢、鉬和鋯等高熔點(diǎn)金屬元素獲得的，其中Nb521: Nb-5W-2Mo-l&指的是所 有金屬都采用純金屬按照重量配比1:5:2:1的比例配置。本發(fā)明對上述應(yīng)用于火箭及導(dǎo)彈姿控和軌控發(fā)動機(jī)材料的鈮合金(牌號 Nb521)鑄錠進(jìn)行中頻感應(yīng)加熱爐加熱、鑄錠擠壓開坯、板坯鍛造加工、溫軋厚板坯和冷 軋成品，并配以合適的熱處理工藝，得到需要的板材尺寸，其技術(shù)優(yōu)勢主要為
1)對大直徑鑄錠進(jìn)行中頻感應(yīng)爐快速加熱、保溫，通過減少物料與大氣氣氛接觸時 間減輕O、N等氣體元素滲入并在晶界聚集而使合金晶界強(qiáng)度提高、塑性變差的程度，防 止在后續(xù)擠壓和鍛造加工中物料發(fā)生嚴(yán)重開裂。2)借助擠壓加工三向壓應(yīng)力受力狀態(tài)，充分發(fā)揮材料塑性的良好加工方式，一 方面解決了合金鑄錠開坯容易開裂的問題；另一方面經(jīng)過大變形量擠壓，可以使原始鑄 態(tài)粗晶組織充分破碎，從而改善合金的綜合性能。3)在擠壓開坯破碎原始鑄態(tài)粗晶組織的基礎(chǔ)上，通過鍛造加工方式再次破碎粗 晶，獲得晶粒相對均勻的組織，并獲得需要的軋制厚板坯。4)采用重復(fù)多次“酸洗+修料”方式徹底清除板坯表面夾雜、微裂紋等缺陷， 避免板坯表面的微小缺陷在軋制過程中充當(dāng)裂紋源而使物料嚴(yán)重開裂。5)軋制厚板坯實(shí)施溫軋工藝，避免直接采用冷軋?jiān)斐砂迮鏖_裂；溫軋時采取大 壓下量軋制工藝，避免軋制變形不能有效傳遞至板坯中心，在厚度方向因內(nèi)外層變形不 均勻而形成剪切應(yīng)力，致使板坯分層開裂。6)采用換向軋制方式，一方面為獲得成品需要的板形尺寸；另一方面為減輕板 材各向異性，獲得組織均勻、性能穩(wěn)定的成品板材。7)通過擠壓開坯和鍛造板坯充分破碎原始鑄態(tài)粗晶后，在板坯軋制過程中采取 消除應(yīng)力退火工藝，使板坯累加變形逐漸增加，以使最終板材成品獲得細(xì)晶粒組織，從 而提高材料高溫拉伸強(qiáng)度。通過本發(fā)明加工方法獲得的鈮合金板材性能穩(wěn)定、成份均勻，在1400°C時拉伸 強(qiáng)度達(dá)到190MPa，比C103合金高出近4倍；在1600°C時拉伸強(qiáng)度達(dá)到70MPa以上，在 1800°C時拉伸強(qiáng)度仍保持有50MPa以上，該鈮合金將航空航天耐熱結(jié)構(gòu)材料工作溫度提高200°C以上。
具體實(shí)施例方式以金屬鈮作為基體，添加鎢、鉬和鋯等高熔點(diǎn)金屬元素組成鈮合金鑄錠，其原 料組成為Nb-5W-2Mo_lZr (均是純金屬元素，按照重量比1:5:2:1配置)
本發(fā)明鈮合金棒材的加工步驟為
1、一次加熱將鈮合金(牌號Nb521)鑄錠在中頻感應(yīng)加熱爐中加熱，加熱溫度為 1350°C 1450°C，保溫時間為10 15min。2、擠壓開坯0 220mmXL — 0105mmXL ‘，擠壓速度220mm/s，必要時對
加熱后擠壓前鑄錠表面涂覆一層高溫防氧化涂料，涂敷厚度為0.2 0.3_，可使擠壓更 為順利，并可減少棒坯表面的擠壓溝槽等缺陷。3、酸洗用HNO3: HF H2O= 5 1: 1 (體積比)進(jìn)行酸洗，目的是去除表
面雜質(zhì)，肉眼觀察可見金屬光澤即可。4、熱處理熱處理溫度為1400 1500°C，保溫時間為60 120min。5、定尺下料根據(jù)最終成品的1.30 1.55倍重量計(jì)算，鋸料。6、二次加熱在中頻感應(yīng)加熱爐進(jìn)行二次加熱，加熱溫度為1300°C 1400°C,保溫時間為8 12min。7、鍛造獲得軋制厚板坯鐓粗，Φ 105mmXLO — OHOmmXLl ；拔長， OHOmmXLl - ODXL2mm (拔長后的外徑尺寸隨工藝設(shè)計(jì)達(dá)到的L2而變化)；橫向 打扁，保證長度，ODXL2mm —40 45mmXWlXL2 (打扁厚板坯的寬度Wl隨板坯
厚度而變化)。8、厚板坯第一次酸洗、修料酸洗步驟同步驟3;修料，用角向砂輪機(jī)對板坯 表面及橫邊折疊、裂縫、起皮和其他有害缺陷進(jìn)行缺陷去除修料，并反復(fù)進(jìn)行“酸洗+ 修料”操作，直至去除板坯表面肉眼可見上述缺陷為止。9、厚板坯第一次熱處理，熱處理溫度為1400 1500°C，保溫時間為60 12 Omin ο10、厚板坯溫軋首先加熱，加熱溫度600 650°C，保溫時間為60 90min ； 再進(jìn)行寬向軋制，40 45mmXWlXL2 — 20 22mmX W2 (L2) XL3，軋制每道次 壓下量Ah=0.08h (h為軋制前坯料厚度)，軋制速度v=2 3 m/min，為防止軋制分層 開裂，軋制壓下量和軋制速度至關(guān)重要。11、厚板坯第二次酸洗、修料，同步驟8。12、厚板坯第二次熱處理，熱處理溫度為1350 1400°C，保溫時間為60 9 Omin ο13、厚板坯冷軋；采用換向軋制，20 22mmXW2 (L2) XL3 — 10 llmmXW3 (L3) XL4，軋制每道次壓下量Ah= (0.05 0.06) h，軋制速度v=3 4 m/min.
14、厚板坯第三次酸洗、修料，同步驟八。15、厚板坯第三次熱處理熱處理溫度為1300 1350°C，保溫時間為60 90min,得成品坯。
16、成品軋制采用換向軋制法，10 llmmXW3 (L3) XL4 —H成XW 成XL成，必要時采取多道次精整軋制，以獲得滿足保證尺寸公差的成品板材。17、成品酸洗采用HNO3: HF H2O= 10 1: 5 (體積比)進(jìn)行酸洗，去除
表面潤滑油等其他附著物，肉眼觀察可見金屬光澤無雜斑即可。18、成品熱處理熱處理溫度為1400 1450°C，保溫時間為60 90min，保證
材料完全再結(jié)晶。19、板形校平、成品下料，保證成品尺寸公差滿足使用要求。20、表面拋光，去除肉眼可見的裂紋、凹坑、劃傷和其他客戶明示的缺陷。
權(quán)利要求
1.一種鈮合金板材的加工工藝，其特征在于其工藝步驟為a.將鈮合金鑄錠在中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行第一次加熱，然后擠壓開坯，酸洗，熱處 理，定尺下料后在中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行二次加熱，鍛造獲得軋制厚板坯；b.將軋制厚板坯進(jìn)行第一次酸洗、修料和熱處理，溫軋后進(jìn)行第二次再次酸洗、修 料和熱處理，板坯冷軋后進(jìn)行第三次酸洗、修料和熱處理得成品坯；c.將上述成品坯進(jìn)行成品軋制，成品酸洗，成品熱處理，板形校平，成品下料，表 面拋光后即可。
2.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征是所述鈮合金鑄錠的原 料組成為 Nb-5W-2Mo_lZr。
3.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征是上述a過程中第一次加 熱的加熱溫度為1350°C 1450°C，保溫時間為10 15min，第二次加熱的加熱溫度為加 熱溫度為1300°C 1400°C，保溫時間為8 12min。
4.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征是上述a過程中在擠壓開 坯前在鑄錠表面涂覆一層高溫防氧化涂料，涂敷厚度為0.2 0.3mm。
5.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征是上述a和b過程中的酸 洗是采用HNO3: HF H2O= 5 1:1，該比例以體積比計(jì)。
6.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征是上述a過程中的熱處理 溫度為1400 1500°C，保溫時間為60 120min。
7.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征在于上述b過程中的三次熱 處理?xiàng)l件分別為第一次熱處理溫度為1400 1500°C，保溫時間為60 120min ；第二 次熱處理溫度為1350 1400°C，保溫時間為60 90min ；第三次熱處理溫度為1300 1350°C,保溫時間為60 90min。
8.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征在于上述b過程中的溫軋是 指將厚板坯在600 650°C保溫60 90min后進(jìn)行寬向軋制，軋制每道次壓下量為軋制 前坯料厚度的0.08倍，軋制速度為2 3 m/min。
9.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征在于上述b過程中的冷軋采 用換向軋制，軋制每道次壓下量為軋制前坯料厚度的0.05 0.06倍，軋制速度為3 4 m/min。
10.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征在于上述c過程中的成品 軋制采用換向軋制。
11.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征在于上述c過程中的成品 酸洗是采用HNO3 HF H2O= 10 1 5,該比例以體積比計(jì)。
12.按照權(quán)利要求1所述的鈮合金板材的加工工藝，其特征在于上述c過程中的成品 熱處理的熱處理溫度為1400 1450°C，保溫時間為60 90min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈮合金板材的加工工藝，該鈮合金板材的加工工藝步驟為a.將原料組成為Nb-5W-2Mo-1Zr的鈮合金鑄錠在中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行第一次加熱，然后擠壓開坯，酸洗，熱處理，定尺下料后在中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行二次加熱，鍛造獲得軋制厚板坯；b.將軋制厚板坯進(jìn)行第一次酸洗、修料和熱處理，溫軋后進(jìn)行第二次再次酸洗、修料和熱處理，板坯冷軋后進(jìn)行第三次酸洗、修料和熱處理得成品坯；c.將上述成品坯進(jìn)行成品軋制，成品酸洗，成品熱處理，板形校平，成品下料，表面拋光后即可。通過本發(fā)明加工方法獲得的鈮合金板材性能穩(wěn)定、成份均勻，在1400℃時拉伸強(qiáng)度達(dá)到190MPa，在1600℃時拉伸強(qiáng)度達(dá)到70MPa以上，在1800℃時拉伸強(qiáng)度仍保持有50MPa以上，本鈮合金將航空航天耐熱結(jié)構(gòu)材料工作溫度提高200℃以上。
文檔編號C22F1/18GK102011076SQ201010542389
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者周小軍, 朱中慶, 李積賢, 沈立華, 王培軍, 趙洪章, 趙紅運(yùn), 龔志江 申請人:寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司