CN102011076B - 一种铌合金板材的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铌合金板材的加工工艺，该铌合金板材的加工工艺步骤为：a.将原料组成为Nb-5W-2Mo-1Zr的铌合金铸锭在中频感应加热炉中进行第一次加热，然后挤压开坯，酸洗，热处理，定尺下料后在中频感应加热炉中进行二次加热，锻造获得轧制厚板坯；b.将轧制厚板坯进行第一次酸洗、修料和热处理，温轧后进行第二次再次酸洗、修料和热处理，板坯冷轧后进行第三次酸洗、修料和热处理得成品坯；c.将上述成品坯进行成品轧制，成品酸洗，成品热处理，板形校平，成品下料，表面抛光后即可。通过本发明加工方法获得的铌合金板材性能稳定、成份均匀，在1400℃时拉伸强度达到190MPa，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，本铌合金将航空航天耐热结构材料工作温度提高200℃以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种铌合金板材的加工工艺。
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的提高。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℃是拉伸强度与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。但是，随着空间技术的发展，上述现有材料无法满足更高使用温度的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种耐温更高，且高温拉伸强度更大的铌合金板材的加工工艺。
一种铌合金板材的加工工艺，其特征在于其工艺步骤为：
a.将铌合金铸锭在中频感应加热炉中进行第一次加热，然后挤压开坯，酸洗，热处理，定尺下料后在中频感应加热炉中进行二次加热，锻造获得轧制厚板坯；
b.将轧制厚板坯进行第一次酸洗、修料和热处理，温轧后进行第二次再次酸洗、修料和热处理，板坯冷轧后进行第三次酸洗、修料和热处理得成品坯；
c.将上述成品坯进行成品轧制，成品酸洗，成品热处理，板形校平，成品下料，表面抛光后即可；
所述铌合金铸锭的原料组成为Nb-5W-2Mo-1Zr；
上述a过程中第一次加热的加热温度为1350℃～1450℃，保温时间为10～15min，第二次加热的加热温度为加热温度为1300℃～1400℃，保温时间为8～12min；
上述a过程中在挤压开坯前在铸锭表面涂覆一层高温防氧化涂料，涂敷厚度为0.2～0.3mm；
上述a和b过程中的酸洗是采用HNO3 ：HF ：H2O= 5 ：1 ：1，该比例以体积比计；
上述a过程中的热处理温度为1400～1500℃，保温时间为60～120min；
上述b过程中的三次热处理条件分别为：第一次热处理温度为1400～1500℃，保温时间为60～120min；第二次热处理温度为1350～1400℃，保温时间为60～90min；第三次热处理温度为1300～1350℃，保温时间为60～90min；
上述b过程中的温轧是指将厚板坯在600～650℃保温60～90min后进行宽向轧制，轧制每道次压下量为轧制前坯料厚度的0.08倍，轧制速度为2～3 m/min；
上述b过程中的冷轧采用换向轧制，轧制每道次压下量为轧制前坯料厚度的0.05～0.06倍，轧制速度为3～4 m/min；
上述c过程中的成品轧制采用换向轧制；
上述c过程中的成品酸洗是采用HNO3 ：HF ：H2O= 10 ：1 ：5，该比例以体积比计；
上述c过程中的成品热处理的热处理温度为1400～1450℃，保温时间为60～90min。
本发明的铌合金铸件——牌号Nb521：Nb-5W-2Mo-1Zr，是以金属铌作为基体，添加钨、钼和锆等高熔点金属元素获得的，其中Nb521：Nb-5W-2Mo-1Zr指的是所有金属都采用纯金属按照重量配比1：5：2：1的比例配置。
本发明对上述应用于火箭及导弹姿控和轨控发动机材料的铌合金（牌号Nb521）铸锭进行中频感应加热炉加热、铸锭挤压开坯、板坯锻造加工、温轧厚板坯和冷轧成品，并配以合适的热处理工艺，得到需要的板材尺寸，其技术优势主要为：
1）对大直径铸锭进行中频感应炉快速加热、保温，通过减少物料与大气气氛接触时间减轻O、N等气体元素渗入并在晶界聚集而使合金晶界强度提高、塑性变差的程度，防止在后续挤压和锻造加工中物料发生严重开裂。
2）借助挤压加工三向压应力受力状态，充分发挥材料塑性的良好加工方式，一方面解决了合金铸锭开坯容易开裂的问题；另一方面经过大变形量挤压，可以使原始铸态粗晶组织充分破碎，从而改善合金的综合性能。
3）在挤压开坯破碎原始铸态粗晶组织的基础上，通过锻造加工方式再次破碎粗晶，获得晶粒相对均匀的组织，并获得需要的轧制厚板坯。
4）采用重复多次“酸洗+修料”方式彻底清除板坯表面夹杂、微裂纹等缺陷，避免板坯表面的微小缺陷在轧制过程中充当裂纹源而使物料严重开裂。
5）轧制厚板坯实施温轧工艺，避免直接采用冷轧造成板坯开裂；温轧时采取大压下量轧制工艺，避免轧制变形不能有效传递至板坯中心，在厚度方向因内外层变形不均匀而形成剪切应力，致使板坯分层开裂。
6）采用换向轧制方式，一方面为获得成品需要的板形尺寸；另一方面为减轻板材各向异性，获得组织均匀、性能稳定的成品板材。
7）通过挤压开坯和锻造板坯充分破碎原始铸态粗晶后，在板坯轧制过程中采取消除应力退火工艺，使板坯累加变形逐渐增加，以使最终板材成品获得细晶粒组织，从而提高材料高温拉伸强度。
通过本发明加工方法获得的铌合金板材性能稳定、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
以金属铌作为基体，添加钨、钼和锆等高熔点金属元素组成铌合金铸锭，其原料组成为Nb-5W-2Mo-1Zr（均是纯金属元素，按照重量比1：5：2：1配置）
本发明铌合金棒材的加工步骤为：
1、一次加热：将铌合金（牌号Nb521）铸锭在中频感应加热炉中加热，加热温度为1350℃～1450℃，保温时间为10～15min。
2、挤压开坯：Φ220mm×L→Φ105mm×Lˊ，挤压速度220mm/s，必要时对加热后挤压前铸锭表面涂覆一层高温防氧化涂料，涂敷厚度为0.2～0.3mm，可使挤压更为顺利，并可减少棒坯表面的挤压沟槽等缺陷。
3、酸洗：用HNO3 ：HF ：H2O= 5 ：1 ：1（体积比）进行酸洗，目的是去除表面杂质，肉眼观察可见金属光泽即可。
4、热处理：热处理温度为1400～1500℃，保温时间为60～120min。
5、定尺下料：根据最终成品的1.30～1.55倍重量计算，锯料。
6、二次加热：在中频感应加热炉进行二次加热，加热温度为1300℃～1400℃，保温时间为8～12min。
7、锻造获得轧制厚板坯：镦粗，Φ105mm×L0→Φ140mm×L1 ；拔长，Φ140mm×L1→ΦD×L2mm（拔长后的外径尺寸随工艺设计达到的L2而变化）；横向打扁，保证长度，ΦD×L2mm→40～45mm×W1×L2（打扁厚板坯的宽度W1随板坯厚度而变化）。
8、厚板坯第一次酸洗、修料：酸洗步骤同步骤3；修料，用角向砂轮机对板坯表面及横边折叠、裂缝、起皮和其他有害缺陷进行缺陷去除修料，并反复进行“酸洗+修料”操作，直至去除板坯表面肉眼可见上述缺陷为止。
9、厚板坯第一次热处理，热处理温度为1400～1500℃，保温时间为60～120min。
10、厚板坯温轧：首先加热，加热温度600～650℃，保温时间为60～90min；再进行宽向轧制，40～45mm×W1×L2→20～22mm×W2（L2）×L3，轧制每道次压下量Δh=0.08h（h为轧制前坯料厚度），轧制速度 v=2～3 m/min，为防止轧制分层开裂，轧制压下量和轧制速度至关重要。
11、厚板坯第二次酸洗、修料，同步骤8。
12、厚板坯第二次热处理，热处理温度为1350～1400℃，保温时间为60～90min。
13、厚板坯冷轧；采用换向轧制，20～22mm×W2（L2）×L3→10～11mm×W3（L3）×L4，轧制每道次压下量Δh=（0.05～0.06）h，轧制速度 v=3～4 m/min.
14、厚板坯第三次酸洗、修料，同步骤八。
15、厚板坯第三次热处理：热处理温度为1300～1350℃，保温时间为60～90min，得成品坯。
16、成品轧制：采用换向轧制法，10～11mm×W3（L3）×L4→H成×W成×L成，必要时采取多道次精整轧制，以获得满足保证尺寸公差的成品板材。
17、成品酸洗：采用HNO3 ：HF ：H2O= 10 ：1 ：5（体积比）进行酸洗，去除表面润滑油等其他附着物，肉眼观察可见金属光泽无杂斑即可。
18、成品热处理：热处理温度为1400～1450℃，保温时间为60～90min，保证材料完全再结晶。
19、板形校平、成品下料，保证成品尺寸公差满足使用要求。
20、表面抛光，去除肉眼可见的裂纹、凹坑、划伤和其他客户明示的缺陷。
Claims (1)
1.一种铌合金板材的加工工艺，其特征在于其工艺步骤为：
a.将原料组成为Nb-5W-2Mo-1Zr的铌合金铸锭在中频感应加热炉中进行第一次加热，加热温度为1350℃～1450℃，保温时间为10～15min，然后挤压开坯，酸洗，在温度为1400～1500℃条件下热处理60～120min，定尺下料后在中频感应加热炉中进行二次加热，加热温度为1300℃～1400℃，保温时间为8～12min，锻造获得轧制厚板坯；
b.将轧制厚板坯进行第一次酸洗、修料和热处理，此热处理温度为1400～1500℃，保温时间为60～120min，温轧后进行第二次酸洗、修料和热处理，此热处理温度为1350～1400℃，保温时间为60～90min，板坯冷轧后进行第三次酸洗、修料和热处理得成品坯，此热处理温度为1300～1350℃，保温时间为60～90min；
c.将上述成品坯采用换向轧制法进行成品轧制，用体积比为10 ：1 ：5的HNO3 、HF 和H2O进行成品酸洗，在温度为1400～1450℃条件下进行成品热处理60～90min，板形校平，成品下料，表面抛光后即可；
上述a和b过程中的酸洗是采用HNO3 ：HF ：H2O= 5 ：1 ：1，该比例以体积比计；
上述b过程中的温轧是指将厚板坯在600～650℃保温60～90min后进行宽向轧制，轧制每道次压下量为轧制前坯料厚度的0.08倍，轧制速度为2～3 m/min；
上述b过程中的冷轧采用换向轧制，轧制每道次压下量为轧制前坯料厚度的0.05～0.06倍，轧制速度为3～4 m/min。
2、按照权利要求1所述的铌合金板材的加工工艺，其特征是：上述a过程中在挤压开坯前在铸锭表面涂覆一层高温防氧化涂料，涂敷厚度为0.2～0.3mm。
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