胡慶寬，謝茂陽(yáng)，付建建，許永春，何坤

1. 河南航天精工制造有限公司 河南信陽(yáng) 464000

2. 河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南信陽(yáng) 464000

1 序言

Nb521鈮鎢合金屬于超高溫材料，又稱難熔材料，具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能及優(yōu)異的工藝性能，最高使用溫度達(dá)1900℃，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)超高溫材料性能的使用要求，大幅度減少用于冷卻燃燒室的推進(jìn)劑流量，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[1]。隨著新型號(hào)研制需求的增加，Nb521鈮鎢合金在我國(guó)航天領(lǐng)域的使用更加廣泛，不但在導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，在其他高速飛行器的某些高溫部件上也開始使用。如某新型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室尾噴口部位，工作溫度高達(dá)1600～1800℃，擬選用Nb521材料制造緊固件，連接該部位的復(fù)合材料。本文通過對(duì)Nb521材料緊固件制造工藝的研究，以期找到合適的加工工藝，從而滿足新型號(hào)任務(wù)需求。

2 材料特性

2.1 化學(xué)成分特性

Nb521鈮鎢合金密度為8.65～9.0g/cm3，其基體化學(xué)成分為Nb，純金屬Nb對(duì)W、Mo、Zr等元素有很高的固溶度，這些元素與Nb形成多種固溶強(qiáng)化相，可顯著提升合金的室溫及高溫力學(xué)性能；W和Mo兩種元素熔點(diǎn)高，原子半徑與Nb元素相近，可提高Nb合金的高溫強(qiáng)度和蠕變性能；Zr主要起形成強(qiáng)化相，提升Nb基體強(qiáng)度的作用[2]。Nb521材料常見化學(xué)成分見表1。

表1 Nb521材料常見化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 力學(xué)性能及顯微組織特性

由Nb521化學(xué)成分可知，其主要含Nb和W兩種元素。隨著W含量的增加，Nb合金的熔點(diǎn)逐步升高，Nb和W形成體心立方結(jié)構(gòu)（bcc）的固溶體，無法通過熱處理時(shí)效來強(qiáng)化。Nb521棒材交貨狀態(tài)為再結(jié)晶退火，顯微組織為細(xì)小的等軸組織（見 圖1）。

圖1 退火態(tài)顯微組織

Nb521棒材室溫力學(xué)性能見表2。室溫下，該材料抗拉強(qiáng)度較低，塑性和韌性較好，具有良好的塑性，可通過鍛壓、鐓制等塑性加工方法成形。

表2 Nb521棒材室溫力學(xué)性能

Nb521合金中的C元素與W、Mo和Zr等形成MC、M2C及M3C2等多種類型的碳化物，在合金基體中呈彌散分布，起到釘扎晶界和位錯(cuò)的作用，是一種較為有效的高溫強(qiáng)化方法[3]。但是隨著加熱溫度的提高，強(qiáng)化相開始析出并聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致合金高溫強(qiáng)度下降[4]。Nb521棒材高溫力學(xué)性能見表3，可知該材料在1600℃時(shí)仍然具有較好的抗拉性能（Rm≥70MPa），可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)推力室1600℃時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度≥60MPa的要求，可見Nb521材料完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的使用要求。

表3 Nb521棒材高溫力學(xué)性能

3 材料成形特性

3.1 鐓制成形性能

Nb521材料在固溶狀態(tài)下具有良好的延展性和可變形性，鐓鍛比（桿狀材料鐓鍛部分的原始長(zhǎng)度和直徑的比值）可達(dá)2.3以上，在制造緊固件過程中可采用鐓制成形方式。鐓制成形不僅可節(jié)約材料、降低成本，還可控制頭桿結(jié)合部位金屬流線，提高產(chǎn)品抗疲勞壽命。

用Nb521材料加工六角頭螺栓時(shí)，在冷鐓成形過程中應(yīng)主要解決3類問題：①原材料坯徑尺寸問題。②原材料表面潤(rùn)滑問題。③冷鐓模具設(shè)計(jì)問題。原材料坯徑尺寸方面，主要是通過計(jì)算螺栓頭部用料及其變形比，使?jié)L螺紋前的螺坯桿徑尺寸綜合得到一個(gè)最佳值。原材料表面潤(rùn)滑方面，因Nb521材料與冷鐓模具工作表面黏結(jié)力比耐熱鋼和不銹鋼強(qiáng)很多，所以在冷鐓成形前，必須對(duì)冷鐓坯料進(jìn)行潤(rùn)滑處理，消除粘?，F(xiàn)象，提高鐓制模具的壽命。通過驗(yàn)證對(duì)比，選取冷鐓前對(duì)毛坯表面涂覆二硫化鉬潤(rùn)滑方案，有效解決了冷鐓坯料粘模問題。模具設(shè)計(jì)方面，六角頭螺栓產(chǎn)品在雙擊冷鐓機(jī)上的毛坯變形工序，是通過兩個(gè)工步鐓鍛圓柱頭（即預(yù)沖和終鐓）成形（見圖2）。這種方法主要是合理設(shè)計(jì)預(yù)沖模具，經(jīng)過調(diào)整和試鐓修正初鐓后形狀，固化模具，實(shí)現(xiàn)此類產(chǎn)品的鐓制小批量生產(chǎn)。

圖2 冷鐓成形

3.2 機(jī)械加工性能

Nb521高溫緊固件服役環(huán)境極其惡劣，對(duì)表面質(zhì)量要求很高，表面加工痕跡和完整性對(duì)于服役質(zhì)量有重要影響。由于存在冷卻性能差、刀桿振顫和不易排屑等加工難點(diǎn)[5]，在車削、磨削加工時(shí)，出現(xiàn)刀具易磨損現(xiàn)象，產(chǎn)品存在明顯車刀紋，表面質(zhì)量較差，因此需要采用數(shù)控車床和無心磨床等對(duì)緊固件桿部進(jìn)行精密加工。通過選定合適的刀具，制定出最合適的加工參數(shù)，可有效提高緊固件的加工效率。

（1）選擇合適的刀具及砂輪材質(zhì) 因該材料硬度較低，所以在車削、磨削加工過程中，可選用較快加工速度和較大車削量，保證產(chǎn)品的表面粗糙度和尺寸一致性。但加工時(shí)需注意冷卻，以免產(chǎn)生磨削燒傷。數(shù)控車床選用DNMG110408MS、VNMG160404N等不同刀具，調(diào)整相關(guān)轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量，可保證數(shù)控車削工序要求的尺寸及外觀質(zhì)量。目前緊固件磨削常用的砂輪材質(zhì)為碳化硅和白剛玉，通過工藝驗(yàn)證，選用碳化硅材料砂輪進(jìn)行磨削加工，無心磨床加工效率可大幅提高，且可較好地保證Nb521緊固件的外觀質(zhì)量及尺寸要求。

（2）確定合理的磨削余量 螺紋采用冷滾壓成形方式，螺坯桿徑需進(jìn)行磨削加工。在磨削螺坯桿過程中，數(shù)控車床預(yù)留的磨削加工余量是否合適，對(duì)于磨削加工產(chǎn)品合格率和加工效率有重要的影響。若使用碳化硅材料砂輪，按常規(guī)參數(shù)單邊僅磨削0.03mm進(jìn)行磨削時(shí)，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品尺寸不均勻、局部點(diǎn)超差及表面粗糙度難以保證等問題，尺寸無法保證，無法批量加工。經(jīng)多次驗(yàn)證，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，選擇最合理的加工余量0.10mm，采用粗磨+精磨的加工方式，能夠有效保證產(chǎn)品質(zhì)量并提高磨削加工效率。

3.3 外螺紋滾壓成形技術(shù)

由于螺紋是緊固件的典型特征，其成形質(zhì)量極大地影響緊固件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能水平，因此，航空航天等領(lǐng)域高性能緊固件大部分采用滾壓加工螺紋。滾壓螺紋是指在精密滾絲機(jī)床上對(duì)金屬坯料進(jìn)行徑向擠壓，使金屬產(chǎn)生塑性變形而形成螺紋，并使螺紋強(qiáng)化的加工技術(shù)。與車制螺紋相比，滾壓螺紋具有材料利用率高、表面質(zhì)量好、螺紋強(qiáng)度和表面硬度高及疲勞壽命和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。螺紋在滾壓成形過程中，材料的塑性變形抗力加大，硬度和強(qiáng)度得到提高，而塑性和韌性下降，即產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，極易使螺紋牙頂形成裂紋和折疊等缺陷。對(duì)于這類難加工材料的螺紋加工技術(shù)，通過對(duì)螺紋成形過程分析，計(jì)算及驗(yàn)證滾壓螺紋的螺紋坯徑，確定滾壓力、滾輪轉(zhuǎn)速、滾輪進(jìn)給速度及切削液選配等主要工藝要素，解決了冷滾壓加工中存在的滾絲輪崩牙和緊固件螺紋折疊超標(biāo)等問題，保證了滾壓螺紋后外螺紋表面質(zhì)量。螺栓金屬流線如圖3所示。

圖3 螺栓金屬流線

3.4 內(nèi)螺紋攻螺紋成形難點(diǎn)及解決措施

Nb521合金材料塑性較好，但切削加工比較困難，有切屑擦傷或粘結(jié)的明顯傾向。Nb521材料螺母若采用普通切削絲錐進(jìn)行加工，因材料黏性較大，加工時(shí)切屑呈帶狀，容易擦傷或粘在切削刃上，導(dǎo)致切削力增大、切削溫度升高，同時(shí)容易在工件表面產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象，螺紋加工過程中會(huì)出現(xiàn)爛牙、牙側(cè)褶皺及牙型不完整等缺陷，所以為保證產(chǎn)品的正常加工，根據(jù)Nb521材料切削加工的特點(diǎn)和要求，需選擇合適的絲錐和合理的切削用量。于是開發(fā)了鈮鎢合金材料專用的切削絲錐和擠壓絲錐，通過調(diào)整底孔尺寸等措施，加工的螺紋牙側(cè)表面粗糙度值Ra可達(dá)1.6μm，螺紋通止規(guī)檢測(cè)合格，解決了螺紋牙尖銳邊及毛刺問題，降低了攻螺紋加工難度，螺紋未出現(xiàn)爛牙、牙側(cè)褶皺及牙型不完整等缺陷，螺紋質(zhì)量能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 緊固件性能指標(biāo)

Nb521材料制造的螺栓、螺釘、螺柱和螺母等多種類型緊固件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參照HB系列標(biāo)準(zhǔn)。為驗(yàn)證Nb521緊固件標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)和實(shí)測(cè)情況，確定Nb521材料性能的穩(wěn)定性和合理性，按照航空航天型號(hào)最普遍使用的幾種頭型、型式和典型規(guī)格選擇螺栓、螺釘和螺母來驗(yàn)證其性能，對(duì)其強(qiáng)度和硬度進(jìn)行檢測(cè)。Nb521產(chǎn)品實(shí)測(cè)性能見表4。

表4 Nb521產(chǎn)品實(shí)測(cè)性能

5 表面處理

目前，提高難熔金屬在高溫有氧環(huán)境下抗高溫氧化能力的主要途徑有合金化和表面涂層兩種方式。合金化的方法可以改善合金的抗氧化性能，但合金化的元素必須超過一定量的臨界值才會(huì)對(duì)基體起到保護(hù)作用，這樣勢(shì)必影響合金的其他性能，尤其會(huì)造成基體高溫力學(xué)性能的下降。而在合金表面加制涂層，既可保護(hù)合金基體不受高溫腐蝕或減緩腐蝕速率，又不會(huì)改變合金基體成分，可在最大程度上保留合金的高溫力學(xué)性能。

Nb521制造的螺栓、螺釘、螺柱和螺母緊固件所采用的表面處理方法為表面加制涂層，采用料漿熔燒法制備，為性能優(yōu)良的硅化物復(fù)合涂層[6]，涂層厚度為（60±10）μm。涂層檢測(cè)及高溫性能滿足大氣環(huán)境中：1600℃靜態(tài)抗氧化壽命要求≥1h；1800℃靜態(tài)抗氧化壽命要求≥0.5h；1800℃冷卻（水冷）至室溫，熱振壽命≥50次。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合分析了Nb521材料特性、鐓制成形性能、機(jī)械加工性能和緊固件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并制定了Nb521材料緊固件綜合性能指標(biāo)。通過創(chuàng)新和優(yōu)化傳統(tǒng)加工工藝，應(yīng)用新型硅化鉬涂層等措施，解決了Nb521緊固件制造中的一系列難題，生產(chǎn)的緊固件滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，已成功應(yīng)用于某新型裝備發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室尾噴口部位，連接該部位的復(fù)合材料，工作溫度為1600～1800℃。研究結(jié)果表明：Nb521鈮鎢合金具有優(yōu)異的工藝性能及高溫性能，可滿足宇航緊固件對(duì)材料性能的使用要求。

20221122

專家點(diǎn)評(píng)

該文分析了Nb521鈮鎢合金的材料特性和緊固件鐓制成形、機(jī)械加工特點(diǎn)，在傳統(tǒng)制造工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，通過選擇合適的刀具及砂輪材質(zhì)，確定合理的切削用量，改善機(jī)械加工性能；應(yīng)用外螺紋滾壓和內(nèi)螺紋攻螺紋技術(shù)，改善螺紋質(zhì)量；應(yīng)用新型硅化鉬涂層等措施，解決了Nb521緊固件制造中的一系列難題。

文章取材豐富、論證有力，重點(diǎn)講述了Nb521鈮鎢合金零件的成形和加工過程。緊固件桿部的車削和磨削均采用數(shù)控設(shè)備提高加工效率。螺紋加工采用滾壓和攻螺紋成形技術(shù)，通過工藝改進(jìn)解決了滾絲輪崩牙、螺紋孔牙尖銳邊及毛刺問題。具有很好的專業(yè)性和創(chuàng)新思維，為類似高溫材料零件的加工積累了經(jīng)驗(yàn)。