一種鈮合金薄壁管材承壓能力檢測(cè)及組織性能研究

薛建嶸，高選喬，任廣鵬，林小輝，李斌，夏明星，鄭欣，周青山

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

材料工程

一種鈮合金薄壁管材承壓能力檢測(cè)及組織性能研究

薛建嶸，高選喬，任廣鵬，林小輝，李斌，夏明星，鄭欣，周青山

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

采用閉端內(nèi)壓爆破試驗(yàn)方法對(duì)φ12×0.54 mm C103鈮合金薄壁管材（以下簡(jiǎn)稱C103）的承壓能力進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)爆破后管材的微觀組織進(jìn)行了研究，通過(guò)閉端內(nèi)壓爆破檢測(cè)系統(tǒng)獲得了C103薄壁管材的爆破周向極限強(qiáng)度和周向延伸率，分別達(dá)到了472 MPa～477 MPa和19.41%～19.43%，這說(shuō)明其具有較好的塑性和承壓能力。

管材內(nèi)壓閉端爆破檢測(cè)系統(tǒng)；鈮合金（C103）薄壁管材；承壓能力；延伸率

C103鈮合金薄壁管材是一個(gè)高塑性低（中）強(qiáng)鈮合金，含有10%Hf、1.0%Ti和0.7%Zr的鈮基合金，通過(guò)向鈮中加入Hf、Ti、Zr合金元素而實(shí)現(xiàn)合金的固溶強(qiáng)化，也可以用冷加工的方法提高它的強(qiáng)度但塑性有所下降。它的主要特點(diǎn)是：允許含有較多的間隙雜質(zhì)含量，箱內(nèi)外氬弧焊接和真空電子束焊接性能良好，改型鋁化物和硅化物加涂性能尚佳，加工和成型性能優(yōu)良，在1 000～1 500℃區(qū)間有一定的強(qiáng)度，在超高真空環(huán)境中，其10 h的熱穩(wěn)定性能良好。C103鈮合金適用于制造液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管延伸段、軌道發(fā)動(dòng)機(jī)和高塑性姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)幅射冷卻推力的那個(gè)高溫部件。

本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)管材內(nèi)壓爆破測(cè)試系統(tǒng)[1]對(duì)C103管材進(jìn)行多次承壓能力檢測(cè)，最終測(cè)試出C103管材周向極限強(qiáng)度及周向延伸率分別達(dá)到472 MPa～477 MPa和19.41%～19.43%.

1 管材內(nèi)壓爆破測(cè)試系統(tǒng)原理

管材內(nèi)壓爆破測(cè)試系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)由液壓泵站、液壓控制部分、液壓執(zhí)行部分與一些輔助裝置組成。液壓泵站由液壓泵3，濾油器2，溢流閥13，壓力表5，節(jié)流閥12，精密濾油器7，油箱16組成。當(dāng)液壓泵3啟動(dòng)后，油箱16中的油液經(jīng)濾油器2吸入泵中，泵3輸出的壓力油可以經(jīng)溢流閥13流回油箱，也可以經(jīng)節(jié)流閥12、精密濾油器7為伺服閥供油。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，關(guān)閉節(jié)流閥12，通過(guò)溢流閥13將液壓泵的輸出壓力調(diào)節(jié)為21 MPa.打開(kāi)節(jié)流閥12，壓力油進(jìn)入到控制、執(zhí)行回路為系統(tǒng)提供壓力油；通過(guò)計(jì)算機(jī)為電液伺服閥輸入電流，增壓缸工作，計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字控制信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)，并作為功率放大電路的輸入，利用功率放大電路放大后的輸出電流控制電液伺服閥（見(jiàn)圖2）的輸出P1、Q1，P1、Q1經(jīng)增壓減流裝置后為試件的檢測(cè)提供工作介質(zhì)，壓力的變化使壓力傳感器輸出模擬電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后，用轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)，為試件加載直至爆破。當(dāng)工作完畢，立即通過(guò)溢流閥13把壓力調(diào)到零，然后按停止按鈕使液壓泵停止運(yùn)行，一方面與設(shè)定值比較，通過(guò)上述過(guò)程對(duì)其進(jìn)行控制，使之符合要求，另一方面，在計(jì)算機(jī)界面上顯示當(dāng)前壓力值和壓力變化曲線，另外，試件變形時(shí)，試件上的應(yīng)變傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)放大和經(jīng)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)顯示變形曲線檢測(cè)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存檢測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)管材在彈性階段以要求的（13.8±1.4）MPa/min升壓速率升壓，并在彈性階段后以初始升壓速率的泵輸入液體體積繼續(xù)加壓，直到試樣爆破。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖1 液壓伺服系統(tǒng)原理圖與管材內(nèi)壓爆破檢測(cè)系統(tǒng)界面

圖2 微機(jī)電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

2 C103薄壁管材閉端內(nèi)壓性能檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 前期準(zhǔn)備

采用同一批次φ12×0.54×150 mm的薄壁管材進(jìn)行4次試驗(yàn)（同一批次），配用專用夾具[2]（見(jiàn)圖3），試樣內(nèi)預(yù)先注滿試驗(yàn)介質(zhì)（機(jī)油），將試樣一端封閉并將另一開(kāi)口端與管材內(nèi)壓爆破測(cè)試系統(tǒng)端口（見(jiàn)圖1序號(hào)8）連接，測(cè)量其準(zhǔn)確長(zhǎng)度、平均壁厚、平均外徑尺寸等數(shù)據(jù)，在參數(shù)設(shè)置中輸入管材壁厚、外徑尺寸及有效長(zhǎng)度（見(jiàn)圖1），點(diǎn)擊保存即可。

圖3 爆破試樣夾具、配件及裝配

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)同一批次的試樣進(jìn)行初步裝夾，然后開(kāi)始加壓，使系統(tǒng)中的試驗(yàn)介質(zhì)從試樣接口處連續(xù)流出，排除試樣、連接管道中的游離氣體，再裝配緊試樣。點(diǎn)擊圖1界面中的開(kāi)始系統(tǒng)→啟動(dòng)液壓泵→開(kāi)始加載→直至試樣爆破。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)C103鈮合金薄壁管材的試驗(yàn)，爆破試驗(yàn)后的試樣樣品之一如圖4所示，測(cè)試結(jié)果顯示C103鈮合金φ12×0.54×150 mm的薄壁管材的最大承壓能力達(dá)44 MPa～44.1 MPa，如圖5所示，爆破后測(cè)量管材周向的最大長(zhǎng)度為42 cm～45 cm.

圖4 爆破后的試樣樣品

圖5 試件壓力與時(shí)間

根據(jù)周向極限強(qiáng)度按公式S=PD/2T.

其中S為周向極限強(qiáng)度（MPa）；P為最大流體壓力（MPa）；D為外徑平均值減去壁厚平均值（mm）；T為試驗(yàn)前最小壁厚（mm）.

經(jīng)計(jì)算該管材周向極限強(qiáng)度為472 MPa～477 MPa.

δ為破口的總周向延伸率（%）；Lmax為破口的最大周長(zhǎng)（mm）；D0為爆破前平均外徑（mm）.

經(jīng)計(jì)算該管材的周向延伸率為19.41%～19.43%.

同一批次的C103管材在爆破后的延伸率和周向極限強(qiáng)度沒(méi)有明顯的變化，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)C103具有良好的穩(wěn)定的周向極限強(qiáng)度及延伸率。見(jiàn)圖6.和爆破之前試樣比較，管壁在破裂前經(jīng)內(nèi)壓作用發(fā)生了明顯的塑性變形（見(jiàn)圖7），這是由于在內(nèi)壓作用下導(dǎo)致外壁在壁薄弱處出現(xiàn)局部變形爆裂，經(jīng)計(jì)算管材斷面收縮率可達(dá)93.1%.

圖6 管材周向延伸率與周向極限強(qiáng)度特性曲線

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖7 掃描電競(jìng)下的微觀組織性能

3 結(jié)論

本研究對(duì)C103管材（φ12×0.54×150 mm）進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）C103管材具有良好的承壓能力和延展性能，其承壓能力達(dá)44 MPa～44.1 MPa，周向極限強(qiáng)度為472 MPa～477 MPa，周向延伸率為19.41%～19.43%，斷面收縮率可達(dá)93.1%.

（2）C103管材（無(wú)缺陷）在爆破過(guò)程中處于中間部位延軸向破裂破裂，若用于長(zhǎng)輸油氣等介質(zhì)必須進(jìn)一步對(duì)管材承壓能力進(jìn)行研究改進(jìn)。

[1]丁學(xué)鋒，杜彥亭，劉建章，等.管材內(nèi)壓閉端爆破測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2003，37（增刊1）：98-101.

[2]王德華，袁改煥，李恒羽，核用鋯合金管材爆破試驗(yàn)工藝的改進(jìn)[J].稀有金屬快報(bào)，2006（10）：36-38.

The Microstructure and Pressure-Bearing Property of Thin-Wall Tube Nb Alloy

XUE Jian-rong，GAO Xuan-qiao，REN Guang-peng，LIN Xiao-hui，LI Bin，XIA Ming-xing，ZHENG Xin，ZHOU Qing-shan
（Northwest Institute For Non-ferrous Metal Research，Xi’an Shaanxi 710016，China）

In this research，the pressure-bearing ability was evaluated for the φ12×0.54 mm thin-walled tube of C-103 nb alloy（C103）by closed-end burst testing，and the microstructure of the cracked tubes was studied as well.According to the closed-end burst testing system，the cicumferential ultimate strength and elongation exceeded 472 MPa～477 MPa and 19.41%～19.43%of C103，respectively，which indicates that the ductility and pressurebearing ability of C103 are satisfactory.

closed-field burst tester for tube；thin-wall tube of C-103 nb alloy（C103）；pressure bearing capacity；elongation

TG146

A

1672-545X（2017）03-0181-03

2016-12-22

薛建嶸（1989-），男，陜西漢中人，大專，助理工程師，研究方向：設(shè)備管理與維修研究。