鉭鈮及其合金基本介紹

1、西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件1西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件2鉭的基本屬性鉭的基本屬性西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件3鉭金屬的應用鉭金屬的應用西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件42002年鉭材的產(chǎn)品形成和相應市場份額年鉭材的產(chǎn)品形成和相應市場份額西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件5常溫、不同應變率下鉭的常溫、不同應變率下鉭的-曲線曲線

2、準靜態(tài)加載下鉭的準靜態(tài)加載下鉭的-曲線曲線動態(tài)加載下鉭的動態(tài)加載下鉭的-曲線曲線不同溫度和變形速率下鉭的變形行為不同溫度和變形速率下鉭的變形行為西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件6不同制備方式下鉭的再結晶行為不同制備方式下鉭的再結晶行為不同制備方式鉭錠坯的雜質(zhì)含量不同制備方式鉭錠坯的雜質(zhì)含量西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件7純鉭純鉭90%冷變形后經(jīng)不同退火工藝后的硬度值冷變形后經(jīng)不同退火工藝后的硬度值1再結晶溫度：再結晶溫度：800900冷變形態(tài)冷變形態(tài)6001h8001h9001h冷變形態(tài)冷

3、變形態(tài)6001h10001h11001h2再結晶溫度：再結晶溫度：10001100西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件8根據(jù)再結晶的基本規(guī)律，獲得細晶細化的方法包括根據(jù)再結晶的基本規(guī)律，獲得細晶細化的方法包括: 冷變形程度越大，這些強烈變曲的區(qū)域越多，再結晶晶核心冷變形程度越大，這些強烈變曲的區(qū)域越多，再結晶晶核心 越多，細晶細化。越多，細晶細化。 避免升溫過程中產(chǎn)生回復，減少儲能而使再結晶數(shù)目減少。避免升溫過程中產(chǎn)生回復，減少儲能而使再結晶數(shù)目減少。1#試樣不同試樣不同退火工藝的退火工藝的顯微組織顯微組織850 , 20 min850 , 60

4、 min900 , 10 min950 , 10 min西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件9( a) 90%變形量后變形量后850 , 60 min退火退火;( b) 90%變形量后變形量后900 , 10min 退火退火; ( c) 1 150 退火退火60 min1#深沖鉭殼的宏觀形貌深沖鉭殼的宏觀形貌西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件10用于破甲彈藥型罩鉭板不同角度的力學性能用于破甲彈藥型罩鉭板不同角度的力學性能西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工

5、課 件11初始擠壓的鉭初始擠壓的鉭(as-extruded) 與二次再鍛壓并經(jīng)與二次再鍛壓并經(jīng)1523 K,2 h真空退火的鉭真空退火的鉭(forged+annealed)在在296 K 溫度和不同應變率下的真實應力應變曲線溫度和不同應變率下的真實應力應變曲線鍛造鉭的性能鍛造鉭的性能西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件12初始擠壓的鉭棒在不同取向的流動應力曲線初始擠壓的鉭棒在不同取向的流動應力曲線西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件13鉭在不同應變鉭在不同應變率和溫度下的率和溫度下的流動應力流動應力

6、西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件14工業(yè)生產(chǎn)鉭粉的方法工業(yè)生產(chǎn)鉭粉的方法缺點：缺點：生產(chǎn)成本高、周期長、效率低、能耗大、污染環(huán)境且難以連生產(chǎn)成本高、周期長、效率低、能耗大、污染環(huán)境且難以連 續(xù)化生產(chǎn)，造成鉭及鉭合金的價格過高。續(xù)化生產(chǎn)，造成鉭及鉭合金的價格過高。缺點：缺點：以以CaCl2 為熔鹽電解質(zhì)，為熔鹽電解質(zhì)，CaCl2 吸水性強，需在吸水性強，需在300 左右保左右保持干燥，實驗麻煩；持干燥，實驗麻煩；CaCl2 在高溫下?lián)]發(fā)嚴重，長時間電解，需持續(xù)在高溫下?lián)]發(fā)嚴重，長時間電解，需持續(xù)添加添加CaCl2 熔鹽，工作效率低，使得整個熔鹽

7、體系始終處于不穩(wěn)定的熔鹽，工作效率低，使得整個熔鹽體系始終處于不穩(wěn)定的動態(tài)過程；電解電壓不能過高，通常為動態(tài)過程；電解電壓不能過高，通常為2.73.2 V，同時伴有副反應，同時伴有副反應發(fā)生，降低電流密度和電流效率；以石墨棒為陽極，容易燒損，產(chǎn)發(fā)生，降低電流密度和電流效率；以石墨棒為陽極，容易燒損，產(chǎn)生石墨微粒，可能導致陰陽極之間出現(xiàn)部分電子導電。生石墨微粒，可能導致陰陽極之間出現(xiàn)部分電子導電。工藝特點：工藝特點：利用透氧膜將熔鹽和陽極隔離開，在電壓控制下，氧離子利用透氧膜將熔鹽和陽極隔離開，在電壓控制下，氧離子和金屬離子定向遷移，達到制備金屬的目的。和金屬離子定向遷移，達到制備金屬的目的。西

8、北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件15原料：原料： Ta2O5熔鹽電解質(zhì)：熔鹽電解質(zhì)： 55.5%MgF2-44.5%CaF2固體透氧膜：固體透氧膜： 氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯管氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯管高純氬氣作為保護氣體高純氬氣作為保護氣體SOM 實驗原理圖實驗原理圖SOM法制備鉭粉法制備鉭粉西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件16SOM法，不同溫度下電解法，不同溫度下電解3h 的的Ta2O5片片SEM 形貌形貌(a) 1473 K；(b) 1423 K ；(c) 1373 K不同溫度電解過程中不同溫度電解

9、過程中電流與時間曲線電流與時間曲線西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件171423 K 的電解試樣的背散射電子像的電解試樣的背散射電子像(BEI)、能譜分析、能譜分析(EDX)和和X 射線衍射譜射線衍射譜(XRD)1323 K 的電解試樣的背散射電子像的電解試樣的背散射電子像(BEI)、能譜分析、能譜分析(EDX)和和X 射線衍射譜射線衍射譜(XRD)西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件18CVD法制備鉭粉法制備鉭粉CVD實驗原理圖實驗原理圖西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工

10、 課 件與 加 工 課 件19鈮粉產(chǎn)率鈮粉產(chǎn)率(a) 與鉭粉產(chǎn)率與鉭粉產(chǎn)率(b) 與溫度和氫氣比率關系與溫度和氫氣比率關系西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件20CVD法還原法還原NbCl5 (a)和和TaCl5 (b) 產(chǎn)物的產(chǎn)物的XRD 圖圖CVD法制備鈮粉法制備鈮粉(a) 和鉭和鉭粉粉(b) 的原始產(chǎn)物的原始產(chǎn)物TEM圖圖西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件21鉭基合金材料的性能鉭基合金材料的性能Ta Ta - 10WTa- 8W- 2Hf密度密度(g/cm3)層裂強度層裂強度(GPa)西北工

11、業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件22西北院研制的西北院研制的Ta-12W與與Ta-10W性能比較性能比較西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件23Ta-Ti合金絲的再結晶動力學合金絲的再結晶動力學鉭鈦合金絲的微觀組織：鉭鈦合金絲的微觀組織：(a)拉拔后的加工態(tài)組織；拉拔后的加工態(tài)組織；(b)再結晶形核組織再結晶形核組織西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件24Ta-Ti合金絲不同變形量合金絲不同變形量()下再結晶晶核形成的孕育時間下再結晶晶核形成的孕育時間(

12、t)與退火溫度與退火溫度(T)的關系的關系西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件25變形量變形量55%Ta-Ti合金絲在不同溫度合金絲在不同溫度下的再結晶動力學曲線和下的再結晶動力學曲線和47%，55%，70%變形合金絲在相同溫度變形合金絲在相同溫度下的再結晶動力學曲線下的再結晶動力學曲線西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件26不同表面處理后鉭鈦合金絲拉伸不同表面處理后鉭鈦合金絲拉伸斷口的宏觀形貌斷口的宏觀形貌拉伸斷口中心微觀形貌拉伸斷口中心微觀形貌西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與

13、加 工 課 件與 加 工 課 件27鉭及鉭合金絲的滲氮強化鉭及鉭合金絲的滲氮強化(a) 不同滲氮溫度，氮壓不同滲氮溫度，氮壓0.8GPa(b) 不同氮壓，滲氮溫度不同氮壓，滲氮溫度1000離子滲氮離子滲氮2h后鉭沿滲氮層厚度后鉭沿滲氮層厚度(h為離表面的距離為離表面的距離)、氮濃度分布、氮濃度分布西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件28鉭鉭(a)及鉭鎢合金及鉭鎢合金(b)分別在分別在700(1),800 (2),900 (3),1000 (4)下，下，0.8GPa氮壓下，滲氮氮壓下，滲氮2h后沿擴散層厚度方向的硬度分布后沿擴散層厚度方向的硬度分布

14、(a)(b)西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件29TaC的屬性及其成形方法的屬性及其成形方法西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件30碳化鉭粉末的爆炸成形方法碳化鉭粉末的爆炸成形方法西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件31爆炸前后的試樣對比爆炸前后的試樣對比碳化鉭的掃描電鏡照片碳化鉭的掃描電鏡照片西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件32鈮的基本屬性鈮的基本屬性西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材

15、料與 加 工 課 件與 加 工 課 件33各種鈮制品及其用途各種鈮制品及其用途西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件34高溫下高溫下(600以上以上)易與空氣中的氧發(fā)生反應易與空氣中的氧發(fā)生反應, 生成對基生成對基體無保護作用的粉狀氧化膜體無保護作用的粉狀氧化膜Nb2O5, 不斷剝落不斷剝落,發(fā)生破裂氧化。鈮在低于發(fā)生破裂氧化。鈮在低于350 空氣中氧化增重呈拋物線規(guī)律空氣中氧化增重呈拋物線規(guī)律;而在高于而在高于350 的空氣中的空氣中,氧化增氧化增重呈直線規(guī)律重呈直線規(guī)律,氧化速率增大。氧化速率增大。Nb2O5的熔點為的熔點為1520,其蒸氣壓較

16、低其蒸氣壓較低,不不會產(chǎn)生嚴重的揮發(fā)現(xiàn)象。然而，由于鈮氧化生成會產(chǎn)生嚴重的揮發(fā)現(xiàn)象。然而，由于鈮氧化生成Nb2O5后體積增大后體積增大,因因而氧化膜層中就會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力而氧化膜層中就會產(chǎn)生很大的內(nèi)應力,不僅會產(chǎn)生平行于金屬表面方向不僅會產(chǎn)生平行于金屬表面方向的壓應力的壓應力,而且也會產(chǎn)生垂直于金屬表面方向的拉應力。膜越厚而且也會產(chǎn)生垂直于金屬表面方向的拉應力。膜越厚,它的內(nèi)它的內(nèi)應力就越大應力就越大,當內(nèi)應力超過了膜本身的強度時當內(nèi)應力超過了膜本身的強度時,膜層就會出現(xiàn)裂紋膜層就會出現(xiàn)裂紋,進而發(fā)進而發(fā)生碎裂脫落。生碎裂脫落。鈮的氧化行為鈮的氧化行為西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有

17、金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件35(1) 氧溶入金屬鈮氧溶入金屬鈮,形成間隙式固溶體形成間隙式固溶體,使鈮的晶格發(fā)生膨使鈮的晶格發(fā)生膨脹。成分開始時不均勻脹。成分開始時不均勻,趨于飽和的過程中同時均勻化。趨于飽和的過程中同時均勻化。(2) 生成生成-2Nb2O5相相,晶粒逐漸長大。晶粒逐漸長大。(3)-2Nb2O5在晶粒長大過程中逐漸形成擇優(yōu)取向的緊在晶粒長大過程中逐漸形成擇優(yōu)取向的緊密層密層,隨溫度上升隨溫度上升,逐漸轉變?yōu)槿∠蚧靵y的疏松氧化層。逐漸轉變?yōu)槿∠蚧靵y的疏松氧化層。(4) 800以上以上,-2Nb2O5迅速轉變?yōu)檠杆俎D變?yōu)?2Nb2O5。鈮的氧化過程鈮的氧化過程西北

18、工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件36鈮硅化合物的氧化行為鈮硅化合物的氧化行為隨著鈮中硅含量的增大隨著鈮中硅含量的增大, 高溫氧化時其表面氧化所生成的高溫氧化時其表面氧化所生成的SiO2越多越多, 越容易形成一層連續(xù)的玻璃態(tài)越容易形成一層連續(xù)的玻璃態(tài)SiO2保護層保護層, 防止合金的防止合金的進一步氧化。與純鈮相同進一步氧化。與純鈮相同, 鈮硅化物在氧化時也會產(chǎn)生鈮硅化物在氧化時也會產(chǎn)生Nb2O5。Nb5Si3的物理及力學性能的物理及力學性能西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件37鈮合金的抗高溫氧化性

19、鈮合金的抗高溫氧化性西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件38(1) 加入合金在加入合金在Nb2O5中形成固溶體中形成固溶體,溶質(zhì)元素離子的價數(shù)及離溶質(zhì)元素離子的價數(shù)及離子半徑會對子半徑會對Nb2O5的晶體缺陷結構及體積比起作用。可以期望的晶體缺陷結構及體積比起作用?？梢云谕ㄟ^加入的離子改變殼層的擴散特性通過加入的離子改變殼層的擴散特性,降低氧離子的擴散速度。降低氧離子的擴散速度。(2) 加入的合金元素超出在加入的合金元素超出在Nb2O5中的固溶度中的固溶度,生成其他氧化物生成其他氧化物相相,或低價的氧化物或低價的氧化物,或非晶態(tài)表層或非晶態(tài)表層

20、,使氧化層的各種特性發(fā)生有使氧化層的各種特性發(fā)生有利的變化。利的變化。(3) 提高氧化層的強度和蠕變性能提高氧化層的強度和蠕變性能,緩釋內(nèi)應力緩釋內(nèi)應力,減少裂紋的產(chǎn)生。減少裂紋的產(chǎn)生。(4) 使表面層致密化使表面層致密化, 降低空隙度降低空隙度, 阻擋氧向基體內(nèi)部的擴散阻擋氧向基體內(nèi)部的擴散。鈮的合金化抗氧化機理鈮的合金化抗氧化機理西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件39鈮合金表面的抗高溫氧化涂層鈮合金表面的抗高溫氧化涂層西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件40鋁化物涂層的制備條件和涂層性能鋁化物

21、涂層的制備條件和涂層性能硅化物涂層的組成、制備工藝和涂層性能硅化物涂層的組成、制備工藝和涂層性能西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件41鈮鎢合金鈮鎢合金(Nb-5W-2Mo-1Zr)在硅化鉬高溫抗氧化涂層的保護下工在硅化鉬高溫抗氧化涂層的保護下工作溫度為作溫度為1550左右左右,可大幅度減少了用于冷卻燃燒室的推進劑流可大幅度減少了用于冷卻燃燒室的推進劑流量量, 有利用提高發(fā)動機的比沖。有利用提高發(fā)動機的比沖。鈮合金性能與應用鈮合金性能與應用鈮鉿合金鈮鉿合金(NbHf10-1)是我國目前雙組元液體火箭發(fā)動廣泛使用的是我國目前雙組元液體火箭發(fā)動廣泛使

22、用的材料材料,該材料在硅化鈮高溫抗氧化涂層保護下工作溫度為該材料在硅化鈮高溫抗氧化涂層保護下工作溫度為12001300,遠低于推進劑燃燒時產(chǎn)生的燃氣溫度遠低于推進劑燃燒時產(chǎn)生的燃氣溫度(2700), 因此必須因此必須設置由推進劑形成的液膜冷卻來降低燃燒室壁的溫度設置由推進劑形成的液膜冷卻來降低燃燒室壁的溫度,這部分冷卻這部分冷卻的推進劑流量約占燃料的的推進劑流量約占燃料的30% 40%, 造成推進劑浪費造成推進劑浪費,縮短航天縮短航天器的在軌壽命且易產(chǎn)生羽流污染等。器的在軌壽命且易產(chǎn)生羽流污染等。西北工業(yè)大學西北工業(yè)大學稀有金屬材料稀有金屬材料與 加 工 課 件與 加 工 課 件421600/11 h1700/11 h1800/17 h鈮鎢合金微觀形貌鈮鎢合金微觀形貌 鈮鎢合金在鈮鎢合金在1600長時間加熱長時間加熱, 析出的碳化物相形態(tài)幾乎成為球狀析出的碳化物相形態(tài)幾乎成為球狀, 基本上沿晶界分布基本上沿晶界分布; 保溫時間相同保溫時間相同, 隨著保溫溫度的提高隨著保溫溫度的提高, 碳化物在亞晶界碳