铌合金

在铁基中加入以铌为主的微合金元素组成的合金

铌合金，以铌为基加入若干种元素形成的合金，是一种重要的难熔金属材料。主要包括铌铪合金、铌钨合金、铌锆合金、铌钛合金、铌钨铪合金、铌钽钨合金和铌钛铝合金。铌合金通常保持了纯铌的低温塑性，同时具有比纯铌高得多的强度和其他性能。在钨、钼、钽、铌4大难熔金属材料中，铌合金具有最高的比强度。

简介

铌合金是非常引人注目的高温材料，它具有很好的高温强度和良好的低温塑性。另外，铌还有小的热中子吸收截面、抗液态金属腐蚀和良好的超导电性(如Nb3Sn金属间化合物、钯-铌合金和铌-钛合金)等一系列优异特性，使铌合金被认为是最有发展前途的高温材料之一。

合金元素及强化机理

合金化是改善金属铌性能的最重要措施。向铌中加入合金元素可以获得材料的特殊性能，如如提高强度、改善抗氧化性能、提高塑性和工艺性能等。有两类元素可以影响铌的性能，一类是金属元素，另一类是氧、氢、氮、碳碳等间歇歇元素。金属元素主要是元素周期表中的M。族族元素Cr、Mo、W，V。族元素V和Ta，N族元元素T、Zr、Hf以及Al、Si、Sn等。它们可以一种或者多种金属加入，形成两元或者多元合金，其强化机理是依靠固溶强化、沉淀强化和加工硬化等来实现的。间歇元素是室温下铌的最强的强化剂，它们只有在存在有易于生成氧化物、氮化物、碳碳化物的元素(主要是Ti、Zr、Hf)时，才能对铌的强度产生积极影响。

铌合金的制备

铌合金的工业生产，首先将粉末制成合金坯条，然后进行高温烧结法或熔铸法获得锭坯或铸件，但以熔铸法用得最多，熔铸法又以电子东熔炼和电弧炉熔炼为主。

铌合金坯条的生产一般有还原法和粉末治金法两种。还原法又称一次还原法，是将五氧化二铌加入还原剂碳化铌和合金元素，经配料混合，压制成型，在真空炉内还原，获得合金坯条。

粉末冶金法也称二次还原法，是先采用碳热还原法获得金属铌粉，然后加入合金元素，经真空还原而获得合金坯条铌合金烧结或熔铸的装备与金属铌的一样，用于铌合金坯料烧结的主要设备有真空垂熔炉和真空中频感应炉，用于熔铸的装备主要采用电子东熔炼炉和真空自耗电弧炉。铌合金的烧结或熔铸工艺与金属的工艺也很相似，这里不再重述。

发展

20世纪50年代中期到60年代初主要发展具有优异抗氧化性能的和具有高强度的两类铌合金。以后开始发展加工和焊接性能好的中强度铌合金，并加强了铌合金抗氧化保护涂层的研究。中国于1958年开始铌的生产工艺研究，1963年开始铌的工业生产，已生产低强、中强等多种牌号的铌合金。

2025年1月7日报道，三年多以来，中国航天员一直在“天宫”空间站开展一项看似普通、但实际上却是“不可能完成”的实验——用激光照射悬浮在真空室中的合金颗粒，仔细观察这些颗粒，而后记录颗粒在冷却过程中发生的细微变化。利用在太空得出的实验数据，地球上的中国科学家现已首次成功制造出符合工业应用严格要求的铌合金，这一突破可能将彻底改变航空航天技术。

性能

铌合金在低温下（-196℃）仍有较好的塑性。同钼和钨相比，铌的合金元素种类多，加入量高。工业规模生产的铌合金有十余种。作为结构材料的铌合金主要分三类：高强合金(如Nb-30W-1Zr、Nb-17W-4Hf-0.1C、Nb-20Ta-15W-5Mo-1.5Zr-0.1C)、中强合金及低强高塑性合金。

强化途径

铌的主要强化途径是固溶、沉淀和形变热处理。在铌合金中，含有合金元素钨和钼可显著提高其高温和低温强度，但含量过多则会降低合金工艺性能。钽是中等强化元素，且能降低合金的塑性-脆性转变温度。铌合金强化的另一个途径是加入钛、锆和铪以及一定比例的碳，形成弥散的碳化物相，进行沉淀强化。此外，这些活性元素还能改善其他性能，如钛可明显改善合金的抗氧化和工艺性能；铪和锆可提高合金的抗熔融碱金属腐蚀性能；铪能显著改善合金的抗氧化性能和焊接性能。高强铌合金一般都含有大量固溶元素（钨、钼、钽等）进行固溶强化，同时也采用沉淀强化使合金具有高强度（见金属的强化）。这些合金塑性加工较困难，需要严格控制变形工艺参数。中强合金除 Nb-10W-1Zr-0.1C合金含有碳化物沉淀强化相外，其他品种是加入中等含量的固溶强化元素以保证具有优良的综合性能。低强合金只要加入适量的钛、锆和铪，就可以保证合金具有优异的加工性能。

铌的高温抗氧化性能很差，在600℃左右就开始迅速氧化。虽然发展出像 WC-3015（Nb-15W-4Ta-28Hf-2Zr-0.1C）这样的具有一定抗氧化性能的高强铌合金，然而远不能满足实际要求，仍需依靠高温抗氧化涂层来保护。保护铌合金效果较好的是Si-Cr-Fe系、Cr-Ti-Si系和Al-Cr-Si系涂层。

加工

制锭

可采用粉末冶金和真空熔炼两种工艺方法。与熔炼法相比，粉末冶金法成本高、提纯效果差，一般已很少采用。熔炼法可获得纯度高、成分和性能均匀的锭坯。制取纯铌锭常用电子束熔炼法。铌合金锭坯的制取一般采用电子束-自耗电弧炉双联熔炼工艺，即采用氢化-脱氢的铌粉与合金元素粉混合后制成电极，在电子束炉中熔炼进行提纯，分析合金元素含量并进行调整，再经真空自耗电弧炉熔炼成成分均匀的铸锭。易挥发的合金元素(如钛、钒、铝、铬等)宜在自耗电弧熔炼时添加。

塑性加工

可采用挤压、锻造、轧制等方法制取棒材、板材、带材、箔材、管材、丝材和异型材。间隙元素含量低的纯铌，可在室温下进行锻造开坯后再经塑性加工成制品。强度较高的铌合金则必须在高于1000℃的温度下进行热开坯后再进行成品塑性加工。

熔炼法制取的铌合金锭晶粒粗大，需通过挤压使之破碎后才能进行成品加工。为充分破碎粗大的铸态晶粒，挤压比一般不小于4。高温下间隙元素氧、氮和氢，特别是氧极易和铌合金发生反应。合金氧化后，不仅表面生成疏松的氧化皮，而且氧能渗入合金基体内形成坚硬的渗透层，使塑性加工发生困难。因此，铌合金在挤压开坯以及其他热加工过程中必须采取金属包套、涂层或惰性气体保护加热等措施。铌合金特别是纯铌在拉伸过程中易与模具粘结，因此须先进行阳极氧化处理，使工件表面生成致密的氧化膜并使用润滑剂。

焊接

和钨、钼合金相比，铌合金特别是低强和中强铌合金具有优异的焊接性能。常用的焊接方法有电子束焊和钨电极惰性气体保护焊。对间隙元素污染不那么敏感的 Nb-10Hf-0.7Zr-1Ti等合金，可在焊箱外用惰性气体进行保护焊接。铌合金焊件往往要进行退火以消除应力，提高焊件的塑性。　热处理铌合金的热处理应在10-4～10-5托真空下进行。热处理主要是再结晶和消除应力退火，有些合金还采用均匀化退火、固溶和时效处理。热处理前必须对工件表面进行严格清理，以保证工件质量。

切削加工

铌及某些铌合金在切削加工时，工件很容易与刀具粘结并产生表面氧化，应采用低速切削并使用冷却液冷却。

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