氧化温度对 Nb521 合金力学性能的影响

   铌钨合金的室温塑性好，能加工成板、棒及各种复杂的型材；高温强度高，相比于其他钨、钼及钽合金具有较低的密度， 成为航空航天及核工业青睐的难熔金属高温结构材料。铌合金对气体中O元素十分敏感，虽然O元素在铌合金中的溶解度较低，但是铌合金极易氧化，只有在抗氧化涂层保护下或真空环境下才能使用。低氧环境（20ppm对Nb521铌钨合金在不同温度下进行了氧化试验，研究工作环境中气体O元素的扩散对合金力学性能的影响。

1 试验材料及方法

   氧化用拉伸试样为 54mm×10mm×2mm的片状样，工作段尺寸长为20m、宽为4mm，Nb521合金的具体成分见表 1。 试样表面为再结晶退火后的轧制面，试样端面经切割的面进行 2000# 砂纸抛光，然后用水和酒精依次超声清洗后烘干。 在石英管多气氛反应管式炉内进行氧化试验，试验温度分别为500、600、700、800℃，氧化时间均为4h，氧化气氛为氦-氧（20 ppm），气体流速为 40mL/min。试样在不同温度下 氧化后在室温下进行拉伸，拉伸速率为1mm/min。 利 用JSM6460、EVO10扫描电镜和D8ADVANCE X 射线衍射仪对试样氧化膜及拉伸断口进行分析。

2 结果与分析

2.1 氧化对合金力学性能的影响

表 2 为在不同温度下氧化后合金的力学性能。

   可看出，试样在500℃下氧化后的抗拉强度、屈服强氧化温度对 Nb521 合金力学性能的影响度及伸长率与没经过氧化（25 ℃）的试样性能相比基本相同，600℃下氧化后的抗拉强度和屈服强度也没有发生太大的变化，但伸长率变化较大，下降很快，由 500℃时的 24%降低到 15%，减少了 37.5%左右；当氧化温度达到700℃时，屈服强度和伸长率为0，为脆性断裂，而 800℃氧化后，又有一定的屈服强度和伸长率。 另一方面，当氧化温度由 500℃升高到700℃时，试样表面硬度随着氧化温度的升高而增大，700℃时的硬度值比600℃时的硬度增加了1倍。当氧化温度达到 800℃时硬度值又有所降低，说明氧元素在合金表面的扩散在700℃时加剧，在800℃时有所减缓。

   图1为试样经不同温度氧化后的表面形貌。可看出，经不同温度氧化后， 表面形貌发生了较大变化。 在500℃下氧化膜不平整，脊状生长，表面有大量白色微粒生成；600℃时氧化膜表面白色微粒在减少；700℃时氧化膜表面白色微粒已经很少；800℃氧化后表面氧化膜趋于平整、致密。

   图2不同温度下氧化膜的XRD分析。可知，在500℃时表面氧化物主要为NbO2和Nb4O5并伴有部分ZrO2生成；600℃时主要为NbO2和Nb4O5；700℃时NbO2 在增多；800℃时主要为NbO2。 以上试验结果表明，在不同温度下，表面氧化膜中氧化物的变化影响了合金的力学性能，在500℃氧化时，气氛环境中的O元素通过扩散与合金中的Nb和Zr元素发生反应开始生成Nb和Zr的氧化物；随着氧化温度的升，ZrO2 氧化物数量在减少，NbO2 氧化物数量在增多。 这是因为Zr元素为活性元素，O元素首先易与Zr元素结合生成ZrO2氧化物。 随着合金表面Zr元素的贫瘠，O元素与Nb元素反 应生成Nb的氧化物。 500～700℃氧化后合金表面氧化膜并不致密，说明生成的 Nb4O5 氧化物为非保护性氧化膜，无法阻碍O元素向金属内部扩散。 随着温度的升高，氧扩散加剧，大大损害了合金的力学性能，致使合金在 700℃下发生了脆性断裂。 当氧化温度升高到800℃时，合金表面氧化膜较致密，表面氧化物主要为 NbO2。 这说明NbO2具有保护性，能阻碍O元素的进一步深度扩散，降低O元素对合金力学性能的损害，合金性能有所修复。

2.2 拉伸断口形貌变化

   图3为不同温度下氧化后 试样的拉伸断口形貌。 可看出，在500℃时，断口有大量较深韧窝存在为典型塑性断裂；600℃时韧窝开始减少且变浅，少量解理面出现；700℃时断口中没有韧窝，解理面上伴有扇形状河流花样出现， 表现为典型的脆性断裂特征，此温度下不可长时间使用；800℃时断口中有撕裂棱出现，较浅为小平面，说明拉伸变形中伴有一定的塑性，为准解理断裂特征。 由此说明，合金中O元素的扩散对合金的力学性能影响很大，当O元素不断向合金表面扩散时，O元素在晶粒中的含量将远远超过其在晶粒中的溶解度；过量的O含量导致不同氧化物的生成，非保护性氧化膜加剧O在晶粒中的进一步富集， 氧化物在晶粒上的集聚增大了合金在变形过程中的抗力，使得合金发生脆性断裂。

3 结论

（1） 500℃氧化时，O元素的扩散对铌钨合金的力学性能影响不大。

（2） 600～800℃内氧化时，生成的氧化物主要为NbO2和Nb4O5。

（3） 700℃氧化时，随着Nb4O5 增多，非保护性氧化膜形成，氧扩散导致合金发生脆性断裂，此温度下不可长时使用。

（4） 800℃氧化时，生成的氧化物主要为NbO2，具有一定的保护性，合金具有一定的韧性。

关于星尘科技

星尘科技(广东)有限公司是一家专业从事3D打印、粉末冶金、表面工程等领域用高端球形粉体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业。公司坚持以射频等离子体球化制粉技术为核心，提供国际先进的粉体产品及应用解决方案

。

公司主营产品包括钨、钼、钽、铌、钒、铼、铬等高端稀有难熔金属及其合金、化合物球形粉体，同时提供射频等离子体球化、等离子旋转电极雾化、3D打印、热等静压、注射成型、粉末冶金等技术服务。

星尘科技生产的球形Nb521合金粉采用射频等离子体球化法制成，具有高纯度缺氧、球形度高、表面光滑、无卫星、粒度分布均匀、流动性能优异、疏松密度和振动密度高等特点。

铌钨合金Nb521广泛应用于航空航天发动机、武器推进器、火箭导弹液体双组元发动机、核反应堆、潜水器、燃气涡轮机、汽车发动机、柴油发动机、高温炉加热带、高温模具、高温夹具、高温坩埚的制造上。

更多详情欢迎垂询

论文引用信息：

Hot Working Technology 2021,Vol. 50,No. 24

DOI: 10.14158/j. cnki. 1001-3814. 20212705

中图分类号：TG151.1 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2021)24-0036-03