【摘 要】
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航空航天领域对轻质、高强、耐热材料的需求增加,Nb合金因其低密度、高熔点且具有优良的力学性能和可加工性受到越来越多的关注。传统制备方法制备Nb合金生产工序多、周期长、局限性大,而激光立体成形能够实现复杂结构的近净成形、且生产周期短、效率高。然而,目前国内外针对低密度Nb-Ti-Al体系合金的激光立体成形制备技术及其组织性能的相关研究较少,限制了该合金在工程上的应用。本文依据NbTi-Al三元相图设
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航空航天领域对轻质、高强、耐热材料的需求增加,Nb合金因其低密度、高熔点且具有优良的力学性能和可加工性受到越来越多的关注。传统制备方法制备Nb合金生产工序多、周期长、局限性大,而激光立体成形能够实现复杂结构的近净成形、且生产周期短、效率高。然而,目前国内外针对低密度Nb-Ti-Al体系合金的激光立体成形制备技术及其组织性能的相关研究较少,限制了该合金在工程上的应用。本文依据NbTi-Al三元相图设计了Nb-37Ti-5Al合金,并将元素粉末混合后作为原料、采用同轴送粉激光立体成形的方式制备Nb-37Ti-5Al合金试样;以高纯度的Nb块、海绵Ti和Al粒为原料,采用真空感应熔炼法制备铸态Nb-37Ti-5Al合金试样;主要研究了不同状态Nb-37Ti-5Al合金的显微组织、力学性能和抗氧化性能。（1）选用非球形的Nb粉、Ti粉和Al粉,以激光功率为1k W、1.5k W和1.8k W,扫描速度为3mm/s、5mm/s、8mm/s和10mm/s的工艺参数进行单道Nb-37Ti-5Al合金的激光立体成形实验,发现随着激光功率增大、扫描速度减小,合金中的单层沉积层厚度增加,即合金的成形效率提高。单道LSF Nb合金具有底部为柱状晶、中部为柱状晶或等轴晶、顶部为等轴晶、最上部为转向枝晶的组织特征。参考激光立体成形单道Nb-37Ti-5Al合金的工艺参数,以激光功率为1.9k W、扫描速度为3mm/s、搭接率40%的工艺参数,选用同样的非球形元素粉末制备多道Nb-37Ti-5Al合金;多道搭接合金的每一层熔覆层的底部为柱状晶、顶部为等轴晶。以激光功率为1.8k W、扫描速度为8mm/s的工艺参数,选用球形的Nb粉、球形的Ti粉和非球形的Al粉制备单道Nb-37Ti-5Al合金;球形粉末单道Nb合金的冶金质量良好、几乎无孔洞和未熔粉末,合金的显微组织以均匀的小尺寸等轴晶为主。采用真空感应熔炼技术制备铸态Nb-37Ti-5Al合金,其显微组织主要以稍大尺寸的等轴晶为主。以上不同状态的Nb合金均为Nb基固溶体单相合金。（2）球形粉末LSF Nb-37Ti-5Al合金的显微硬度为236.34HV,铸态Nb合金的显微硬度为231.14HV,两者基本相当。球形粉末LSF Nb合金的抗拉强度平均值为613.59MPa、延伸率平均值为13.36%,铸态Nb合金的抗拉强度平均值为587.44MPa、延伸率平均值为8.74%,并且球形粉末LSF Nb合金的力学性能数据基本一致、表现出良好的组织和性能均匀性。球形粉末LSF Nb合金由于具有更细小的等轴晶,使得具有更优良的塑性与强度。以上结果说明,采用激光立体成形技术制备Nb合金具有可行性,且可以通过调整工艺参数、优选元素粉末等途径进行LSF Nb合金的微观组织和性能调控。（3）将非球形粉末多道Nb-37Ti-5Al合金、球形粉末Nb合金和铸态Nb合金进行600℃/48h的氧化实验,48h氧化后,铸态Nb合金与球形粉末LSF Nb合金未出现明显的氧化膜脱落,氧化动力学曲线符合抛物线规律,均表现出良好的抗氧化性能。然而,非球形粉末LSF Nb合金中由于存在少量的未熔粉末,未熔粉末形成的疏松氧化物破坏了氧化膜的完整性,造成了氧化膜脱落。不同状态Nb合金在600℃下的氧化物含量较少,形成了以Nb的氧化物、Ti的氧化物、Al的氧化物为主的混合氧化物。（4）将非球形粉末LSF Nb合金、球形粉末LSF Nb合金I（取自样品下部边缘处）与合金II（取自样品的上部）、铸态Nb合金在800℃下进行氧化实验。除球形粉末样品II外,其余三种Nb合金样氧化7h后表面氧化膜严重脱落。球形粉II样品的氧化膜氧化10h后发生脱落。LSF合金的氧化行为受到合金的残余应力影响,具有更大残余拉应力的合金I的氧化膜容易脱落。残余应力较小的球形粉II样品的800℃抗氧化性能优于铸态合金和非球形粉末LSF Nb合金。
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