航空、航天及空間技術(shù)的高速發(fā)展離不開高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展是航天和空間技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和支撐。目前，高溫結(jié)構(gòu)件材料中，高溫鈦合金高溫強(qiáng)度小，C/C復(fù)合材料可加工性差，鈮基高溫合金不僅強(qiáng)度高，而且加工性和抗氧化性好，但常規(guī)C103、Nb521 等鈮合金材料的密度大，而航空航天技術(shù)的發(fā)展要求材料不僅具有很高的高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的可加工性能， 而且材料的密度要小。     

      西北有色金屬研究院研發(fā)的低密度鈮基合金不僅密度ρ較?。?.0g/cm3≤ρ≤7.0g/cm3），而且高溫強(qiáng)度好（1200℃：40MPa≤Rm≤250MPa），同時(shí)焊接性能良好，能滿足高溫結(jié)構(gòu)件小密度、易加工和焊接的要求。然而，這種低密度鈮基合金由于其密度和高溫強(qiáng)度的不同，合金化元素較多，材料對(duì)加工應(yīng)力十分敏感，加工時(shí)易裂，特別是棒材鍛造時(shí)，由于材料表面受拉應(yīng)力的影響，極易鍛裂，成品率極低，制備成本很高，阻礙了它的推廣應(yīng)用。本文對(duì)這類合金的鍛造工藝進(jìn)行了研究， 探討鍛造方式對(duì)合金性能的影響，以此提高合金成品率，降低制造成本。

1、試驗(yàn)材料與方法 

      試驗(yàn)材料采用西北有色金屬研究院的Nb-Ti-Al系合金擠壓棒坯料，其名義化學(xué)成分見表1。擠壓開坯溫度在1000～1150℃，擠壓比為4。首先打磨、酸洗清除干凈棒料表面的微裂紋， 鋸切干凈棒料尾部的擠壓縮尾， 然后用線切割從表面質(zhì)量合格的棒料上切取試驗(yàn)樣件，直徑鍛造前坯料為準(zhǔn)100mm，鍛造成準(zhǔn)70mm 的棒材，總變形量為51%。在1t空氣錘和2500t液壓錘上分別進(jìn)行鍛造， 鍛造溫度為1050～1200℃，總變形量為40%。最后對(duì)鍛棒進(jìn)行消應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火，退火工藝分別為1000℃×1h 和1150℃×1h。

      力學(xué)性能測(cè)試在INSTRON1185 型室溫拉伸機(jī)上進(jìn)行，金相試樣經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后在奧林巴斯PMG3 臥式金相顯微鏡下觀察合金的顯微組織，最后采用JSM-6460 鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行拉伸斷口分析。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 

2.1 鍛造棒材的微觀組織

      圖1為合金經(jīng)空氣錘和液壓錘鍛造后的微觀組織。從圖1（a）、（b）可看出，合金用空氣錘鍛造時(shí)，棒材表面易出現(xiàn)晶間沿晶斷裂裂紋，變形不易深入，晶粒較粗大、不均勻；從圖1（c）可看出，相比于空氣錘鍛造，經(jīng)液壓錘鍛造的棒材極易成形，其晶粒組織比較等軸、均勻。這是因?yàn)榭諝忮N是以沖擊力使坯料變形，打擊速度快，合金的內(nèi)部應(yīng)力得不到釋放，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中而開裂；液壓錘是以靜壓力代替了鍛錘的沖擊力，緩慢壓下過程中避免了對(duì)合金的振動(dòng)，合金的應(yīng)力容易得到釋放， 同時(shí)使合金中殘存的氣孔、縮松等微觀缺陷被鍛合在一起， 改善了合金的組織，使變形容易深入，合金組織更趨于均勻、細(xì)小、等軸。

2.2 棒材的力學(xué)性能     

     對(duì)空氣錘和液壓錘鍛造的棒材試樣分別在1000和1150℃下進(jìn)行消應(yīng)力和再結(jié)晶退火，然后測(cè)試其室溫力學(xué)性能。不同條件下合金的力學(xué)性能見表2。通過表2可發(fā)現(xiàn)：在空氣錘鍛造后并消應(yīng)力退火，合金的抗拉強(qiáng)度為1002MPa，經(jīng)過再結(jié)晶退火后合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1101MPa，抗拉強(qiáng)度提高了99MPa，斷后伸長(zhǎng)率由12.0%提高到16.5%；液壓錘鍛造后在消應(yīng)力狀態(tài)下合金的性能比較優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度在1104MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到了19.0%，超過了在空氣錘鍛造下合金在再結(jié)晶狀態(tài)的斷后伸長(zhǎng)率，而再結(jié)晶退火后合金的性能提高不是很明顯。這是由于空氣錘鍛造，合金不易變形，晶粒比較粗大，不利于塑性的提高；用液壓錘鍛造時(shí)充分破除了原始的粗大組織，且使棒材內(nèi)部的氣孔、疏松等缺陷進(jìn)一步致密，合金中的各種偏析得到了很好改善，使得成分等進(jìn)一步均勻化， 使合金的性能得到了更大的改善。

2.3 拉伸斷口分析   

      為了進(jìn)一步研究合金的變形機(jī)理，研究了合金的斷裂行為，對(duì)合金的室溫拉伸斷口進(jìn)行了分析，分別見圖2、3所示。通過觀察圖2發(fā)現(xiàn)，經(jīng)空氣錘鍛造的拉伸試樣的斷口宏觀形貌上剪切唇較少， 微觀形貌上有韌窩存在，但較小、較淺，另外有明顯的像花瓣?duì)畹乃毫牙夂洼^短的、不連續(xù)的河流花樣存在，合金的斷裂形式表現(xiàn)為韌窩斷裂機(jī)制的同時(shí)伴有準(zhǔn)解理斷裂機(jī)制，因此合金的塑性較差。觀察圖3發(fā)現(xiàn)，經(jīng)液壓錘鍛造的拉伸試樣的斷口宏觀形貌上具有明顯的剪切唇標(biāo)記，微觀形貌上有大量的韌窩存在，較深且較等軸，另外伴有個(gè)別撕裂棱存在，合金的斷裂形式主要表現(xiàn)為韌窩斷裂機(jī)制，合金的塑性較好。

      通過對(duì)以上斷口形貌的比較和分析可發(fā)現(xiàn)，鍛造方式改善了合金的斷口形貌， 從而使合金的斷裂機(jī)制發(fā)生了改變。這是由于此類鈮基合金的塑性變形時(shí)的變形抗力受變形速率的影響較大，在相同的變形溫度下，變形速率越大合金的變形抗力就越高，越不易進(jìn)行塑性變形，而塑性變形的過程實(shí)際上是晶體中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展過程，塑性變形不易進(jìn)行說明位錯(cuò)滑移時(shí)易塞積，位錯(cuò)的塞積會(huì)形成強(qiáng)烈變形區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，易萌生裂紋。相比于液壓錘，空氣錘鍛造時(shí)的變形速率很大，變形過程中易產(chǎn)生顯微裂紋而形成河流花樣和撕裂變形。

3、結(jié)論 

  （1）改變鍛造工藝制備出了室溫力學(xué)性能良好的低密度高強(qiáng)鈮合金棒材。

  （2）低密度高強(qiáng)鈮合金的合金化程度較高，對(duì)加工應(yīng)力十分敏感，用空氣錘鍛造時(shí)，由于打擊頻率高，熱應(yīng)力很大，合金極易發(fā)生表面晶間斷裂；液壓錘鍛造的應(yīng)變速率小，可使變形深入，顯著改善合金的微觀組織，提高合金的塑性。

  （3）低密度高強(qiáng)鈮合金經(jīng)過液壓錘鍛造后，顯微組織晶粒比較細(xì)小、均勻；力學(xué)性能得到了很大的改善，拉伸斷口表現(xiàn)為韌性斷裂。