Крепежные изделия из ниобий-вольфрамового сплава Nb521
Свойства материала Nb521, обрабатываемость, характеристики осадки крепежных изделий, рабочие температуры при комнатной и высоких температурах. Инновации и оптимизация, основанные на традиционных производственных процессах, позволили решить ряд проблем в производстве крепежных изделий из Nb521. Результаты технологических исследований показывают, что этот ниобий-вольфрамовый сплав обладает превосходной обрабатываемостью и высокотемпературными характеристиками, отвечая требованиям к материалам для крепежных изделий аэрокосмической отрасли.
Ниобий-вольфрамовый сплав Nb521 — это сверхвысокотемпературный материал, также известный как огнеупорный материал, обладающий превосходными высокотемпературными механическими свойствами и высокой обрабатываемостью. Его максимальная рабочая температура достигает 1900℃, что соответствует требованиям к сверхвысокотемпературным материалам в двигателях, значительно снижая расход топлива, используемого для охлаждения камеры сгорания, и, таким образом, улучшая характеристики двигателя. В связи с растущим спросом на разработку новых моделей, использование ниобий-вольфрамового сплава Nb521 в аэрокосмической отрасли страны становится все более распространенным, не только в ракетных двигателях, но и в некоторых высокотемпературных компонентах других высокоскоростных летательных аппаратов. Например, в области сопла выхлопной системы камеры сгорания нового типа ракетного двигателя, где рабочая температура достигает 1600–1800℃, предлагается использовать материал Nb521 для изготовления крепежных элементов, соединяющих композитные материалы в этой области. В данной работе исследуется процесс изготовления крепежных элементов из материала Nb521 с целью поиска подходящей технологии обработки, отвечающей требованиям миссии новой модели.
Ниобий-вольфрамовый сплав Nb521 имеет плотность 8,65–9,0 г/см³, а его матричный химический состав – Nb. Чистый металлический Nb обладает высокой твердой растворимостью таких элементов, как W, Mo и Zr. Эти элементы образуют различные фазы твердого раствора, упрочняющие сплав с ниобием (Nb), что может значительно улучшить механические свойства сплава при комнатной и высоких температурах. Вольфрам (W) и молибден (Mo) имеют высокие температуры плавления и атомные радиусы, аналогичные Nb, что может улучшить высокотемпературную прочность и сопротивление ползучести сплава Nb. Цирконий (Zr) в основном играет роль в образовании упрочняющей фазы, повышая прочность матрицы Nb. Химический состав Nb521 показывает, что он в основном содержит Nb и W. По мере увеличения содержания W температура плавления сплава Nb постепенно повышается. Nb и W образуют объемно-центрированный кубический (ОЦК) твердый раствор, который не может быть упрочнен термической обработкой и старением. Стержни Nb521 поставляются в состоянии после рекристаллизационного отжига с мелкозернистой равноосной микроструктурой. Механические свойства стержней Nb521 при комнатной температуре следующие: При комнатной температуре этот материал имеет относительно низкую прочность на растяжение, но хорошую пластичность и ударную вязкость. Он демонстрирует хорошую пластичность и может быть сформирован методами пластической обработки, такими как ковка и осадка.
Элемент C в сплаве Nb521 образует различные типы карбидов, такие как MC, M2C и M3C2, с W, Mo и Zr. Эти карбиды диспергированы в матрице сплава, выступая в качестве границ зерен и агентов, закрепляющих дислокации, что является относительно эффективным методом высокотемпературного упрочнения. Однако с повышением температуры нагрева упрочняющая фаза начинает осаждаться и агрегироваться, что приводит к снижению высокотемпературной прочности сплава. В таблице 3 показаны высокотемпературные механические свойства стержней Nb521. Видно, что этот материал сохраняет хорошую прочность на растяжение (Rm ≥ 70 МПа) при 1600℃, удовлетворяя требованию прочности на растяжение ≥ 60 МПа для камер сгорания двигателей при 1600℃. Таким образом, материал Nb521 полностью соответствует требованиям для применения в камерах сгорания двигателей.
Материал Nb521 обладает хорошей пластичностью и деформируемостью в состоянии после термической обработки. Коэффициент осадки (отношение исходной длины к диаметру осадочной части стержнеобразного материала) может достигать более 2,3, что позволяет использовать метод осадки при производстве крепежных изделий. Осадка не только экономит материал и снижает затраты, но и контролирует потоки металла в месте соединения головки и стержня, улучшая усталостную долговечность изделия. При обработке болтов с шестигранной головкой из материала Nb521 в процессе холодной осадки необходимо учитывать три основных момента: диаметр заготовки, смазку поверхности заготовки и конструкцию штампа для холодной осадки. Что касается диаметра заготовки, оптимальное значение диаметра заготовки перед накаткой резьбы определяется путем расчета материала головки болта и коэффициента его деформации. Для смазки поверхности сырья, поскольку материал Nb521 обладает гораздо более сильной адгезией к рабочей поверхности штампа холодной высадки, чем жаропрочная сталь и нержавеющая сталь, заготовку для холодной высадки необходимо смазывать перед холодной высадкой, чтобы исключить прилипание и увеличить срок службы штампа. В результате проверки и сравнения был выбран раствор дисульфида молибдена для смазки, который эффективно решил проблему прилипания заготовки к штампу. Что касается конструкции штампа, процесс деформации заготовки болтов с шестигранной головкой на двухстороннем станке холодной высадки включает два этапа: ковку цилиндрической головки (т.е. предварительную штамповку и окончательную осадку). Этот метод в основном включает в себя рациональное проектирование штампа для предварительной штамповки, корректировку и пробную настройку формы после первоначальной осадки, а также затвердевание штампа для достижения мелкосерийного производства данного типа продукции.