什么是铌合金?

[拼音]：nihejin

[外文]：niobium alloys

以铌为基加入其他元素组成的合金。铌属难熔金属，熔点为2467℃，在1093～1427℃温度范围内比强度高。同钨合金和钼合金相比，铌合金塑性好，加工和焊接性能优良，因而能制成薄板和外形复杂的零件，可用作航天和航空工业的热防护和结构材料。铌和铌合金抗熔融碱金属腐蚀性能好，原子的热中子吸收截面小(1.1靶恩)，对核燃料相容性好，可用作原子能反应堆材料。铌钛合金（如Nb-50Ti）、Nb3Sn化合物等具有优良的超导性能，是实用的超导材料。铌钛系和铌锆系某些合金具有恒d性能好和无铁磁、耐蚀等综合性能，可制作特殊用途的d性元件。铌和某些铌合金在大多数化学介质中具有优良的耐蚀性能，成本较钽便宜，可用作化工、纺织等部门的耐蚀零件。

20世纪50年代中期到60年代初主要发展具有优异抗氧化性能的和具有高强度的两类铌合金。以后开始发展加工和焊接性能好的中强度铌合金，并加强了铌合金抗氧化保护涂层的研究。中国于1958年开始铌的生产工艺研究，1963年开始铌的工业生产，已生产低强、中强等多种牌号的铌合金。

铌合金在低温下（-196℃）仍有较好的塑性。同钼和钨相比，铌的合金元素种类多，加入量高。工业规模生产的铌合金有十余种。作为结构材料的铌合金主要分三类：高强合金(如Nb-30W-1Zr、Nb-17W-4Hf-0.1C、Nb-20Ta-15W-5Mo-1.5Zr-0.1C)、中强合金及低强高塑性合金。

铌的主要强化途径是固溶、沉淀和形变热处理。在铌合金中，含有合金元素钨和钼可显著提高其高温和低温强度，但含量过多则会降低合金工艺性能。钽是中等强化元素，且能降低合金的塑性-脆性转变温度。铌合金强化的另一个途径是加入钛、锆和铪以及一定比例的碳，形成弥散的碳化物相，进行沉淀强化。此外，这些活性元素还能改善其他性能，如钛可明显改善合金的抗氧化和工艺性能；铪和锆可提高合金的抗熔融碱金属腐蚀性能；铪能显著改善合金的抗氧化性能和焊接性能。高强铌合金一般都含有大量固溶元素（钨、钼、钽等）进行固溶强化，同时也采用沉淀强化使合金具有高强度（见金属的强化）。这些合金塑性加工较困难，需要严格控制变形工艺参数。中强合金除 Nb-10W-1Zr-0.1C合金含有碳化物沉淀强化相外，其他品种是加入中等含量的固溶强化元素以保证具有优良的综合性能。低强合金只要加入适量的钛、锆和铪，就可以保证合金具有优异的加工性能。

铌的高温抗氧化性能很差，在600℃左右就开始迅速氧化。虽然发展出像 WC-3015（Nb-15W-4Ta-28Hf-2Zr-0.1C）这样的具有一定抗氧化性能的高强铌合金，然而远不能满足实际要求，仍需依靠高温抗氧化涂层来保护。保护铌合金效果较好的是Si-Cr-Fe系、Cr-Ti-Si系和Al-Cr-Si系涂层。

可采用粉末冶金和真空熔炼两种工艺方法。与熔炼法相比，粉末冶金法成本高、提纯效果差，一般已很少采用。熔炼法可获得纯度高、成分和性能均匀的锭坯。制取纯铌锭常用电子束熔炼法。铌合金锭坯的制取一般采用电子束-自耗电弧炉双联熔炼工艺，即采用氢化-脱氢的铌粉与合金元素粉混合后制成电极，在电子束炉中熔炼进行提纯，分析合金元素含量并进行调整，再经真空自耗电弧炉熔炼成成分均匀的铸锭。易挥发的合金元素(如钛、钒、铝、铬等)宜在自耗电弧熔炼时添加。

可采用挤压、锻造、轧制等方法制取棒材、板材、带材、箔材、管材、丝材和异型材。间隙元素含量低的纯铌，可在室温下进行锻造开坯后再经塑性加工成制品。强度较高的铌合金则必须在高于1000℃的温度下进行热开坯后再进行成品塑性加工。

熔炼法制取的铌合金锭晶粒粗大，需通过挤压使之破碎后才能进行成品加工。为充分破碎粗大的铸态晶粒，挤压比一般不小于4。高温下间隙元素氧、氮和氢，特别是氧极易和铌合金发生反应。合金氧化后，不仅表面生成疏松的氧化皮，而且氧能渗入合金基体内形成坚硬的渗透层，使塑性加工发生困难。因此，铌合金在挤压开坯以及其他热加工过程中必须采取金属包套、涂层或惰性气体保护加热等措施。铌合金特别是纯铌在拉伸过程中易与模具粘结，因此须先进行阳极氧化处理，使工件表面生成致密的氧化膜并使用润滑剂。

和钨、钼合金相比，铌合金特别是低强和中强铌合金具有优异的焊接性能。常用的焊接方法有电子束焊和钨电极惰性气体保护焊。对间隙元素污染不那么敏感的 Nb-10Hf-0.7Zr-1Ti等合金，可在焊箱外用惰性气体进行保护焊接。铌合金焊件往往要进行退火以消除应力，提高焊件的塑性。

铌合金的热处理应在10-4～10-5托真空下进行。热处理主要是再结晶和消除应力退火，有些合金还采用均匀化退火、固溶和时效处理。热处理前必须对工件表面进行严格清理，以保证工件质量。

铌及某些铌合金在切削加工时，工件很容易与刀具粘结并产生表面氧化，应采用低速切削并使用冷却液冷却。