發(fā)布日期：2023-10-6 22:33:30
通常情況下，難熔金屬主要是指熔點(diǎn)達(dá)到2000℃以上的金屬物質(zhì)，其中基本包含了鎢、鉬、鉭、鈮、釩等金屬物質(zhì)。本文主要涉及到的難熔金屬為前四種。難熔金屬與其合金材料的相似之處在于它們均熔點(diǎn)較高，抗液態(tài)金屬的腐蝕性良好，高溫條件下強(qiáng)度較高，基本使用的溫度范圍在1100℃到3320℃之間，大大高于高溫合金，且大多數(shù)為可塑性加工，它們是航天航空的主要高溫結(jié)構(gòu)材料。難熔金屬與其合金的使用溫度和他們自身的熔點(diǎn)狀況存在著直接聯(lián)系，其中自高到低的順序是：鎢合金(錸金屬)、鉭合金、鉬合金以及鈮合金，其中錸金屬作為一種價(jià)格較高的物質(zhì)，其加工硬化速度較快，同時(shí)它也是一種塑性加工相對(duì)困難的材料。受到可加工性能以及密度的影響，當(dāng)前運(yùn)用最廣泛的合金是鉬合金以及鈮合金。從一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)中我們可以總結(jié)出，伴隨著使用溫度的提高，鎢合金的高溫強(qiáng)度下降最為緩慢，而鉭合金卻表現(xiàn)得稍快一些，下降速度從快到慢依次是鈮合金、鉬合金。
一、航空航天難溶金屬材料中的鎢合金
鎢是耐熱性最好的金屬，同時(shí)其密度較大，強(qiáng)度也是難熔金屬中最高的，此外他的彈性模量較好，膨脹系數(shù)小，蒸氣壓較低。鎢的缺點(diǎn)則是高溫氧化性和低溫脆性，在航天航中，鎢及其合金能制作火箭噴管，離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣葉片、定位環(huán)、離子環(huán)、燃?xì)舛婧蜔崛細(xì)夥磻?yīng)舵。用鉬作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉管喉襯、進(jìn)口套管，能夠?qū)⑹褂脺囟忍嵘?320℃以上。
在鎢中添加錸能夠改善原來(lái)鎢元素的室溫延性以及高溫性能，鎢錸合金相比單純的鎢更加堅(jiān)硬，同時(shí)室溫的抗拉強(qiáng)度也可達(dá)到3260MPa，焊接性以及耐磨性也良好。為使鎢能夠在2000℃條件下正常使用，最具發(fā)展前景的是研發(fā)以難溶氧化物和硼化物為基礎(chǔ)的防護(hù)層，其具有較好的熱穩(wěn)定性以及較高的強(qiáng)度。為了有效避免噴嘴受到侵蝕或腐蝕，應(yīng)使用10％至25％質(zhì)量分?jǐn)?shù)的．WB以及難溶氧化物ZrO2、ThO2、HfO2構(gòu)成的防護(hù)層。
一、航空航天難溶金屬材料中的鉬合金
鉬的熔點(diǎn)相對(duì)于鎢和鉭較低，然而它的密度較小、膨脹系數(shù)小以及彈性模量較高，同時(shí)它具有更好的高溫蠕變性能，能夠進(jìn)行合金焊接，而且焊接塑性和強(qiáng)度均能達(dá)到相關(guān)要求。鉬的主要缺點(diǎn)則是在低溫條件下會(huì)出現(xiàn)弱化，高溫條件下具有嚴(yán)重氧化特點(diǎn)。
在所有鉬的條件元素中，唯有錸對(duì)鉬的低溫塑性會(huì)產(chǎn)生積極作用，當(dāng)加入5％至50％Re時(shí)，能夠同時(shí)提升鉬合金的低溫塑性、強(qiáng)度以及焊接性能，使鉬合金在結(jié)晶后降低脆裂，提升抗震熱性。同時(shí)，鉬合金在真空或惰性氣體條件下，不容易出現(xiàn)脆化。
三、航空航天難熔金屬材料中的鉭合金
難熔金屬材料鉭合金的基本特點(diǎn)是高溫條件下強(qiáng)度較高，膨脹系數(shù)較小，抗熱震性能良好，具有塑韌性優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)合金材料處于500℃以上時(shí)，其不具備抗氧化性的優(yōu)勢(shì)，因此，我們可以在其表層涂抹抗氧化圖層，實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。
處于達(dá)到高溫蠕變性能以及高溫強(qiáng)度要求的考慮，美國(guó)先后發(fā)明了Ta-10W、Ta-12W、T-111、T-222以及ASTAR-811C合金，而原蘇聯(lián)除了發(fā)明以上合金以外，還進(jìn)而發(fā)明了Ta-3Nb-7.5V、Ta-15W、Ta-20W以及Ta-10Hf-5W合金。其中，Ta-10W合金已應(yīng)用于阿吉娜宇宙飛船的鼻錐和燃燒室、阿波羅的燃燒室以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管得燃?xì)鈹_流片。Ta-10W-2.5Hf合金一般應(yīng)用在液體火箭噴嘴與噴管。當(dāng)鉭合金達(dá)到1204℃以上時(shí)，蠕變強(qiáng)度增加。所以，主要用于大型核電力系統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換，Ta-10W用于宇航核動(dòng)力裝置的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)材料，T-111一般用于空間用包裹熱力發(fā)動(dòng)機(jī)熱源的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)材料，而T-222主要是為了原冥王星探測(cè)器發(fā)電裝置研發(fā)的材料。此外，ASTAR-811C是高溫蠕變性能最佳的材料。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)六十年代末已陸續(xù)研發(fā)了Ta-W系列合金，包括Ta-7.5、Ta-10、Ta-12合金，它們均獲得了一定的應(yīng)用。
鉭合金涂層和鈮合金較為雷同，鉭合金的多元難熔金屬處于靜態(tài)空氣下時(shí)將表現(xiàn)出良好的抗氧化性。例如，俄羅斯復(fù)合材料科學(xué)研究生產(chǎn)聯(lián)合體Mo-pd、Mo-Hf以及Si-Hf涂層，1700℃靜態(tài)空氣時(shí)的抗氧化時(shí)間可達(dá)到40小時(shí)以上。我國(guó)在這方面研究的Mo-Zr涂層，在1900℃條件下可以使用10小時(shí)。
三、航空航天難熔金屬材料中的鈮合金
鈮合金是密度最小的難熔金屬材料，當(dāng)處于1100℃至1650℃之間條件下將產(chǎn)生較高強(qiáng)度和良好的焊接性，同時(shí)他的室溫塑性好，可以制作出薄板或外形相對(duì)繁瑣的零件。所以說(shuō)在超高音速飛機(jī)、衛(wèi)星、航天飛行器、超低空火箭以及導(dǎo)彈中，我們可以將其作為熱防護(hù)材料或結(jié)構(gòu)材料。
此外，抗氧化性較差是高溫條件下鈮合金較長(zhǎng)時(shí)間使用的主要障礙當(dāng)前鈮合金使用的溫度一般在1100℃至1600℃之間，當(dāng)處于氧化氣氛或空氣條件下時(shí)，我們需要采取可靠性的辦法。和提升合金性能比較，研發(fā)耐高溫和使用壽命較長(zhǎng)的涂層更重要，通過(guò)提升涂層性能，可以使鈮合金使用范圍得到擴(kuò)展。在大型薄壁構(gòu)件中，應(yīng)使用具有良好穩(wěn)定性的MoSi涂層，這樣可以將使用溫度提高到1400℃以上。我國(guó)研制的鈮合金涂層，可在靜態(tài)1700℃條件下維持8至20小時(shí)。
結(jié)語(yǔ)：
綜上所述，難熔金屬材料目前已經(jīng)廣泛使用在航天航空工程當(dāng)中，同時(shí)取得了較好的效果，成為了航天航空技術(shù)分發(fā)展進(jìn)程中不可或缺的材料。此外，航天航空事業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展勢(shì)必對(duì)難溶金屬材料提出了更高的要求，因此我們應(yīng)著重加強(qiáng)這一方面工作。
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[作者簡(jiǎn)介]
李發(fā)倫，男，1989年1月，籍貫：貴州省大方縣，學(xué)位：學(xué)士，學(xué)歷：本科，研究方向：金屬材料與工程。