新一代高温铌钨合金及其焊接技术

编者按：铌钨合金Nb521是近年我国发展的高温航天结构材料，具有优异的高温强度、良好的耐热性和耐腐蚀性，使用温度可达1800℃，有高的比强度和良好的冷热加工性能。该文分析了Nb521合金的材料特性及目前主要采用的电子束焊和激光焊的工艺特点，指出了其应用前景。

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天津大学材料学院 木未然

随着航空航天工业的发展，航空发动机比冲性能和热效率要求越来越高，这也导致了发动机的工作环境温度的显著上升，这种趋势对发动机使用的高温材料提出了更为苛刻的要求。在这一背景下，传统镍基合金已经难以满足航空航天领域对材料性能的需求，因此，能够在1200℃以上环境中使用的材料开始受到广泛关注，在研发出的众多高温合金中，高温铌钨合金Nb521因其优异的性能而备受瞩目，具有密度低，高温(600~1600℃)比强度高，冷热成形性能优良等优点，这种材料有良好的焊接适应性，还具有较高的塑性，可以加工成形薄壁和形状较为复杂的零件，综合性能超越了常规的高温合金，可用于制造火箭发动机、卫星、宇宙飞船和导弹的推力室身部延伸段等部件，最高使用温度可达到1800℃，是航天结构件的重要候选材料之一。

1.Nb521铌钨合金基本特性

Nb521是近年来我国开发的新一代高温材料，是在铌基体中添加一定比例的钨元素以及其他合金化元素形成的铌合金，其中包括Mo、Zr合金化元素及少量的C元素，钨和铌形成无限固溶体，既保持了铌优良的低温塑性，又显著提升了合金的强度、硬度及韧性。Nb521具有优异的高温性能，在室温下抗拉强度在500MPa左右，800℃下强度超过320MPa，1600℃下使用时的抗拉强度仍超过100MPa。Nb521的化学成分如下表。

铌钨合金的强化体系通过多尺度协同作用构建而成，W、Mo等原子可以有效固溶于铌基体中，与铌基体紧密结合，引发晶格畸变，从而提升了滑移阻力，形成高强度的固溶体，实现固溶强化。此外，微量碳元素与W和Nb反应生成亚稳态化合物，引入第二相（如NbC）的钉扎位错的方式，阻碍晶界滑移，进一步提升合金的抗拉与屈服强度，即沉淀强化。铌钨合金材料本身的焊接性较好，但是存在抗氧化性能差的问题，当温度超过600℃时，会发生强烈氧化，导致固有性能遭到破坏；因此，Nb521在高温下使用时，需要在表面制备硅化钼高温防氧化保护涂层。

2.Nb521铌钨合金的焊接

目前对Nb521铌钨合金焊接的研究相对较少，因在高温下易发生氧化导致材料性能急剧下降，目前主要采用的焊接方法是具备高能束特点的电子束焊和激光焊。在焊接过程中，长时间的热循环还会使Nb521的焊缝区和热影响区出现较强的晶粒长大趋势，使得焊接接头的力学性能下降。

2.1 电子束焊接

电子束焊接是一种以电子束流作为热源的焊接技术，它的功率密度高，穿透性强，在真空环境下能够有效地防止氧化，具有自动化程度高等多种优点。这些特性能有效杜绝氧气对焊缝的氧化作用，而且能够保证焊接的稳定进行，并减少污染的可能性。

对较厚的Nb521板材进行电子束对接焊试验研究发现常温拉伸试样均断裂在母材，1600℃高温下接头强度仍可达105MPa。从焊接接头的微观组织、化学成分、显微硬度及力学性能等多个方面研究Nb521合金本身及其与低密度铌合金的电子束焊接表明，可以获得无缺陷的焊缝，其焊缝完整性良好，能够承受较大的塑性应变，并且低密度铌合金与Nb521合金也具有较好的焊接性能。

在铌钨合金与其他材料的电子束焊接方面，已验证钛合金和铌钨合金的异种金属真空电子束焊接工艺特性良好，焊缝外观光亮平滑，焊缝强度可超过铌钨合金母材强度，熔深尺寸精度和强度以及气密性皆可满足设计要求，焊缝质量能够达到航天标准QJ972-86电子束焊接技术条件的I级焊缝的要求。有学者研究了Nb521合金与TC4钛合金的真空电子束焊接，焊接得到的铌-钛组件焊缝熔透性好，组织致密，无气孔，成功获得具有优异性能的焊接接头。

然而由于真空电子束焊工艺需受到真空室大小的限制，存在显著局限性，这导致电子束焊接工艺在满足更大尺寸的铌钨合金焊接需求方面存在一定的困难。

2.2 激光焊接

激光焊是利用高能量密度的激光束作为源进行焊接的一种高效焊接方法，与电子束焊工艺类似，在冶金学特性上与电子束焊具有共性优势，都具备能量密度高，焊接速度快，热影响区小，焊件变形小等优点；与电子束焊依赖真空环境的要求不同，激光焊通过采取惰性气体保护系统来防止焊缝被氧化，从而能够在开放空间中实现易氧化材料的焊接。

由于激光焊不受真空条件限制，又具备电子束焊接一样的高能密度特性，在焊接过程中体现出很好的灵活性。已研究发现Nb521合金有良好的焊接性：对4.6 mm厚的Nb521板材进行激光焊，优化工艺焊接得到的焊缝表面成形质量好，接头常温抗拉强度与母材相当；对1 mm厚的Nb521板材激光对接焊也表明，在合适的热输入条件下，可以获得优质焊接接头。

对异种厚度Nb521铌钨合金激光对接焊试验表明，Nb521铌钨合金仍具备良好的激光焊接工艺性，焊接接头具备良好的综合力学性能。利用厚度为1.0 mm的Nb521铌钨合金板材，在快线切割+铣削和慢速线切割+无铣削等不同焊边准备状态下进行激光焊接试验，焊缝成形良好，激光焊接性很好，表明激光焊工艺窗口较宽。

目前铌钨合金激光焊研究案例还较少，但激光焊接技术在铌钨合金焊接中的应用仍展现出良好前景，参数优化及异种材料焊接仍需深入探索，以进一步提高焊接质量和效率。

3 应用前景

在铌钨合金的焊接工艺研究中，通过焊接工艺试验形成合格的铌钨合金接头，对得到的焊接接头进行微观组织观察和室温力学性能和高温力学性能分析，探索其焊接性。

Nb521铌钨合金焊接技术的发展使其在我国航天领域的使用更加广阔，不但在双元液体火箭发动机上使用，在其他高速飞行器某些高温部件上也开始使用，可显著提高我国航天发动机与卫星结构件的制造水平，助力国家航天强国战略；不仅是高端制造领域的工艺升级，更是国家战略科技实力的重要体现。