关于航天航空用难熔金属材料的研究及进展

 

　　李发伦

 

　　【摘要】本文主要对航天航空用难熔金属材料，如钨、钼、钽、铌与其合金及其涂层高温结构研究等方面的现实状况以及应用情况进行阐述，也对航天航空用难熔金属涂层的性能、合金的类别、力学性能以及制备方法进行了介绍。火箭发动机以及航天器结构件等主要使用难熔金属，而其中钨、钼以及合金单品主要运用到空间动力系统。此外，难熔金属与其合金的使用温度高低情况基本和材料熔点的顺序相同。

 

　　【关键词】航天航空；难熔金属材料；研究及进展

 

　　通常情况下，难熔金属主要是指熔点达到2000℃以上的金属物质，其中基本包含了钨、钼、钽、铌、钒等金属物质。本文主要涉及到的难熔金属为前四种。难熔金属与其合金材料的相似之处在于它们均熔点较高，抗液态金属的腐蚀性良好，高温条件下强度较高，基本使用的温度范围在1100℃到3320℃之间，大大高于高温合金，且大多数为可塑性加工，它们是航天航空的主要高温结构材料。难熔金属与其合金的使用温度和他们自身的熔点状况存在着直接联系，其中自高到低的顺序是：钨合金（铼金属）、钽合金、钼合金以及铌合金，其中铼金属作为一种价格较高的物质，其加工硬化速度较快，同时它也是一种塑性加工相对困难的材料。受到可加工性能以及密度的影响，当前运用最广泛的合金是钼合金以及铌合金。从一些科学实验中我们可以总结出，伴随着使用温度的提高，钨合金的高温强度下降最为缓慢，而钽合金却表现得稍快一些，下降速度从快到慢依次是铌合金、钼合金。

 

　　一、航天航空难熔金属材料中的钨合金

 

　　钨是耐热性最好的金属，同时其密度较大，强度也是难熔金属中最高的，此外他的弹性模量较好，膨胀系数小，蒸气压较低。钨的缺点则是高温氧化性和低温脆性，在航天航中，钨及其合金能制作火箭喷管，离子火箭发动机的喷气叶片、定位环、离子环、燃气舵和热燃气反应舵。用钼作为固体火箭发动机的喉管喉衬、进口套管，能够将使用温度提升至3320℃以上。

 

　　在钨中添加铼能够改善原来钨元素的室温延性以及高温性能，钨铼合金相比单纯的钨更加坚硬，同时室温的抗拉强度也可达到3260MPa，焊接性以及耐磨性也良好。

 

　　为使钨能够在2000℃条件下正常使用，最具发展前景的是研发以难溶氧化物和硼化物为基础的防护层，其具有较好的热稳定性以及较高的强度。为了有效避免喷嘴受到侵蚀或腐蚀，应使用10%至25%质量分数的α-WB以及难溶氧化物ZrO2、ThO2、HfO2构成的防护层。

 

　　二、航天航空难熔金属材料中的钼合金

 

　　钼的熔点相对于钨和钽较低，然而它的密度较小、膨胀系数小以及弹性模量较高，同时它具有更好的高温蠕变性能，能够进行合金焊接，而且焊接塑性和强度均能达到相关要求。钼的主要缺点则是在低温条件下会出现弱化，高温条件下具有严重氧化特点。

 

　　在所有钼的条件元素中，唯有铼对钼的低温塑性会产生积极作用，当加入5%至50%Re时，能够同时提升钼合金的低温塑性、强度以及焊接性能，使钼合金在结晶后降低脆裂，提升抗震热性。同时，钼合金在真空或惰性气体条件下，不容易出现脆化。

 

　　三、航天航空难熔金属材料中的钽合金

 

　　难熔金属材料钽合金的基本特点是高温条件下强度较高，膨胀系数较小，抗热震性能良好，具有塑韧性优势。然而，当合金材料处于500℃以上时，其不具备抗氧化性的优势，因此，我们可以在其表层涂抹抗氧化图层，实现保护作用。

 

　　处于达到高温蠕变性能以及高温强度要求的考虑，美国先后发明了Ta-10W、Ta-12W、T-111、T-222以及ASTAR-811C合金，而原苏联除了发明以上合金以外，还进而发明了Ta-3Nb-7.5V、Ta-15W、Ta-20W以及Ta-10Hf-5W合金。其中，Ta-10W合金已应用于阿吉娜宇宙飞船的鼻锥和燃烧室、阿波罗的燃烧室以及火箭发动机喷管得燃气扰流片。Ta-10w-2.5Hf合金一般应用在液体火箭喷嘴与喷管。当钽合金达到1204℃以上时，蠕变强度增加。所以，主要用于大型核电力系统的动力转换，Ta-10W用于宇航核动力装置的强化结构材料，T-111一般用于空间用包裹热力发动机热源的强化结构材料，而T-222主要是为了原冥王星探测器发电装置研发的材料。此外，ASTAR-811C是高温蠕变性能最佳的材料。我国自上个世纪六十年代末已陆续研发了Ta-W系列合金，包括Ta-7.5、Ta-10、Ta-12以及Ta-8W-0.5Hf合金，它们均获得了一定的应用。

 

　　钽合金涂层和铌合金较为雷同，钽合金的多元难熔金属处于静态空气下时将表现出良好的抗氧化性。例如，俄罗斯复合材料科学研究生产联合体Mo-pd、Mo-Hf以及Si-Hf涂层，1700℃静态空气时的抗氧化时间可达到40小时以上。我国在这方面研究的Mo-Zr涂层，在1900℃条件下可以使用10小时。

 

　　四、航天航空难熔金属材料中的铌合金

 

　　铌合金是密度最小的难熔金属材料，当处于1100℃至1650℃之间条件下将产生较高强度和良好的焊接性，同时他的室温塑性好，可以制作出薄板或外形相对繁琐的零件。所以说在超高音速飞机、卫星、航天飞行器、超低空火箭以及导弹中，我们可以将其作为热防护材料或结构材料。

 

　　此外，抗氧化性较差是高温条件下铌合金较长时间使用的主要障碍当前铌合金使用的温度一般在1100℃至1600℃之间，当处于氧化气氛或空气条件下时，我们需要采取可靠性的办法。和提升合金性能比较，研发耐高温和使用寿命较长的涂层更重要，通过提升涂层性能，可以使铌合金使用范围得到扩展。在大型薄壁构件中，应使用具有良好稳定性的MoSi2涂层，这样可以将使用温度提高到1400℃以上。我国研制的铌合金涂层，可在静态1700℃条件下维持8至20小时。

 

　　结语：

 

　　综上所述，难熔金属材料目前已经广泛使用在航天航空工程当中，同时取得了较好的效果，成为了航天航空技术分发展进程中不可或缺的材料。此外，航天航空事业的长足发展势必对难溶金属材料提出了更高的要求，因此我们应着重加强这一方面工作。

 

　　【参考文献】

 

　　[1]王东辉,袁晓波,李中奎,郑欣,张军良,张清,白润.钼及钼合金研究与应用进展[J].稀有金属快报,2010(12).

 

　　[2]南海,曲选辉,方玉诚,何新波.电子封装用注射成形Mo/Cu合金烧结工艺的研究[J].粉末冶金工业,2012(06).

 

　　[3]谭强.钼─铼合金的制造及应用[J].中国钼业,2011(01).