航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵鑄件材料用Nb-N-Ti復(fù)合中間合金的開發(fā)

朱廣鵬，張金山＊，李樹榮

（1.中色（寧夏）東方集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000）

鈦合金具有密度小，強(qiáng)度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，是一種廣泛用于航空航天領(lǐng)域的高級(jí)合金材料。目前，世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有20種～30種，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Nb等，但幾乎每一種鈦合金的生產(chǎn)都離不開相應(yīng)中間合金的添加。近年來(lái)，Nb-N-Ti復(fù)合中間合金已作為含鈦合金的添加劑應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵鑄件的制備上，因其具有細(xì)化晶粒而改善鑄件材料的韌性、強(qiáng)度等加工性能，且所得材料具有耐高溫性，備受廣大冶金科技工作者所青睞，但制備時(shí)大都采用金屬重熔法，所用鈮、鈦等純金屬極其昂貴，生產(chǎn)成本、設(shè)備要求極高，且所制得的中間合金成分較難控制。我公司采用的是TPN法（Thermite Process Nitride，即金屬熱還原氮化合工藝）分兩步合成，目標(biāo)成分Nb+Ta：40%～45%、AL：5%～10%、Ti：4%～6%、Si：3%～6%、N：8%～12%。

1 實(shí)驗(yàn)及技術(shù)要點(diǎn)

1.1 金屬熱還原合成

金屬熱還原是用金屬或其合金做還原劑在高溫條件下將另一種金屬的化合物還原以制取金屬的一種方法。

本工藝是以Nb2O5為主材料，采用Al做還原劑、KClO3為發(fā)熱劑的條件下，添加鈦屑、硅鐵、Fe礦粉的同時(shí)，進(jìn)行金屬熱還原反應(yīng)，第一步合成NbTi多元合金。

（1）各種原材料成分要求如下：

表1 金屬熱還原所用各類原材料要求

（2）合成工藝。（1）物料混配：物料反應(yīng)的機(jī)理如下：

依據(jù)以上熱力學(xué)數(shù)據(jù)并計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)單位熱控制在3000Kcal/KG～3300Kcal/KG，同時(shí)添加石灰和螢石粉調(diào)整渣系黏度，增加其流動(dòng)性便于渣與合金的分離。以100㎏Nb2O5為例，所需各種原材料配比為：Nb2O5：100㎏；Al粉：41㎏；SiFe：30㎏； 純Ti屑：9㎏，F(xiàn)e礦粉：32㎏，KClO3：8㎏。以上原料按比例精確稱量后，需經(jīng)臥式滾筒混料機(jī)混合20min～30min，轉(zhuǎn)速控制在20R/min～30R/min。（2）裝爐反應(yīng)。裝爐采用Φ480×800mm、厚75mm的圓形石墨坩堝反應(yīng)皿，使用前需用細(xì)鎂砂墊底約30mm～40mm將混好后的物料直接裝入坩堝內(nèi)并壓實(shí)，放入臺(tái)車電阻爐內(nèi)在80℃～100℃條件下預(yù)熱2h～3h后，在物料上部中心位置撒鎂粉、硝石混合物200g～500g做引燃劑，采用上部點(diǎn)火法以酒精點(diǎn)燃爐料，反應(yīng)速率應(yīng)控制在50kg/min～60kg/min，反應(yīng)結(jié)束后需靜置8h以上，冷卻至60℃以下出爐。（3）出爐精整。出爐后的合金錠分離良好，上下表面無(wú)明顯夾雜，斷面致密、呈金屬光澤，略帶金黃色。經(jīng)顎式破碎機(jī)處理、球磨制粉、篩分后備用。

1.2 真空燒結(jié)氮化

1.2.1 壓制成型

（1）調(diào)整合金粉末粒度：選取制備好的合金粉末，粒度控制范圍為：+0.18mm0%、-0.18mm0%～0.075mm75%、-0.075mm25%。

（2）配制粘結(jié)劑：選用聚乙烯醇做粘結(jié)劑，按1：2加入水進(jìn)行調(diào)和（水溫不低于80℃），混合均勻后。

（3）成型：將配制好的粘結(jié)劑緩慢加入合金粉末中，邊加邊充分?jǐn)嚢?，以捏成團(tuán)為宜。然后采用粉末壓片機(jī)在15MPa～20MPa壓力下壓制成40mm×40mm×25mm的料塊，并在烘箱內(nèi)150℃～200℃條件下烘干。

1.2.2 真空氮化

（1）裝爐：烘干后的料塊用300mm×300mm×220mm的方形石墨坩堝盛裝，料塊自由堆積為宜，再將裝滿料的坩堝分4層～6層整齊擺放在料車上，裝入真空爐內(nèi)，裝爐重量保持在500kg～800kg。

（2）燒結(jié)：裝好爐后開啟各泵組進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空達(dá)到1.0×10-1KPa時(shí)啟動(dòng)加熱，溫度升至1500℃時(shí)保溫4h～5h，此時(shí)真空應(yīng)保持在8.0×10-3KPa左右。待溫度降至1450℃時(shí)關(guān)閉各泵組，爐內(nèi)快速充入純度＞99.999%的高純氮?dú)猓藭r(shí)溫度應(yīng)保持在1450℃，爐內(nèi)壓力保持微正壓即可，8h后停止加熱使其自然冷卻，這個(gè)過(guò)程要開啟自動(dòng)充氣閥，保證爐內(nèi)微正壓且不斷補(bǔ)氣。溫度降至100℃以下時(shí)便可出爐。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

出爐后的試樣呈褐色或黃褐色，內(nèi)外顏色一致，料塊之間無(wú)粘連，下表是我公司生產(chǎn)的產(chǎn)品成分檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 Nb-N-Ti復(fù)合中間合金成分檢測(cè)表

3 總結(jié)及結(jié)論

（1）采用TPN合成工藝，以Nb2O5、鈦屑為主材料，采用Al做還原劑，第一步合成NbTi多元合金，第二步在1500℃條件下真空氮化，可制備出Nb-N-Ti復(fù)合中間合金，在工藝上可行，生產(chǎn)成本低，金屬回收率高，且穩(wěn)定可靠，適合批量生產(chǎn)。

（2）實(shí)驗(yàn)表明，采用TPN合成工藝制備的Nb-N-Ti復(fù)合中間合金具有成分均勻、氮含量高的優(yōu)點(diǎn)，在制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵鑄件材料做添加劑應(yīng)用后加工性能表現(xiàn)良好，可以滿足用戶要求。