Nb521鈮鎢合金材料緊固件制造工藝

胡慶寬，謝茂陽，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 464000

2. 河南省緊固連接技術重點實驗室 河南信陽 464000

1 序言

Nb521鈮鎢合金屬于超高溫材料，又稱難熔材料，具有優良的高溫力學性能及優異的工藝性能，最高使用溫度達1900℃，可滿足發動機對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劑流量，有利于提高發動機的性能[1]。隨著新型號研制需求的增加，Nb521鈮鎢合金在我國航天領域的使用更加廣泛，不但在導彈發動機上使用，在其他高速飛行器的某些高溫部件上也開始使用。如某新型導彈發動機燃燒室尾噴口部位，工作溫度高達1600～1800℃，擬選用Nb521材料制造緊固件，連接該部位的復合材料。本文通過對Nb521材料緊固件制造工藝的研究，以期找到合適的加工工藝，從而滿足新型號任務需求。

2 材料特性

2.1 化學成分特性

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

表1 Nb521材料常見化學成分（質量分數）（%）

2.2 力學性能及顯微組織特性

由Nb521化學成分可知，其主要含Nb和W兩種元素。隨著W含量的增加，Nb合金的熔點逐步升高，Nb和W形成體心立方結構（bcc）的固溶體，無法通過熱處理時效來強化。Nb521棒材交貨狀態為再結晶退火，顯微組織為細小的等軸組織（見 圖1）。

圖1 退火態顯微組織

Nb521棒材室溫力學性能見表2。室溫下，該材料抗拉強度較低，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的作用，是一種較為有效的高溫強化方法[3]。但是隨著加熱溫度的提高，強化相開始析出并聚集長大，導致合金高溫強度下降[4]。Nb521棒材高溫力學性能見表3，可知該材料在1600℃時仍然具有較好的抗拉性能（Rm≥70MPa），可滿足發動機推力室1600℃時材料的抗拉強度≥60MPa的要求，可見Nb521材料完全滿足發動機推力室的使用要求。

表3 Nb521棒材高溫力學性能

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度和直徑的比值）可達2.3以上，在制造緊固件過程中可采用鐓制成形方式。鐓制成形不僅可節約材料、降低成本，還可控制頭桿結合部位金屬流線，提高產品抗疲勞壽命。

用Nb521材料加工六角頭螺栓時，在冷鐓成形過程中應主要解決3類問題：①原材料坯徑尺寸問題。②原材料表面潤滑問題。③冷鐓模具設計問題。原材料坯徑尺寸方面，主要是通過計算螺栓頭部用料及其變形比，使滾螺紋前的螺坯桿徑尺寸綜合得到一個最佳值。原材料表面潤滑方面，因Nb521材料與冷鐓模具工作表面黏結力比耐熱鋼和不銹鋼強很多，所以在冷鐓成形前，必須對冷鐓坯料進行潤滑處理，消除粘模現象，提高鐓制模具的壽命。通過驗證對比，選取冷鐓前對毛坯表面涂覆二硫化鉬潤滑方案，有效解決了冷鐓坯料粘模問題。模具設計方面，六角頭螺栓產品在雙擊冷鐓機上的毛坯變形工序，是通過兩個工步鐓鍛圓柱頭（即預沖和終鐓）成形（見圖2）。這種方法主要是合理設計預沖模具，經過調整和試鐓修正初鐓后形狀，固化模具，實現此類產品的鐓制小批量生產。

圖2 冷鐓成形

3.2 機械加工性能

Nb521高溫緊固件服役環境極其惡劣，對表面質量要求很高，表面加工痕跡和完整性對于服役質量有重要影響。由于存在冷卻性能差、刀桿振顫和不易排屑等加工難點[5]，在車削、磨削加工時，出現刀具易磨損現象，產品存在明顯車刀紋，表面質量較差，因此需要采用數控車床和無心磨床等對緊固件桿部進行精密加工。通過選定合適的刀具，制定出最合適的加工參數，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 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，保證產品的表面粗糙度和尺寸一致性。但加工時需注意冷卻，以免產生磨削燒傷。數控車床選用DNMG110408MS、VNMG160404N等不同刀具，調整相關轉速及進給量，可保證數控車削工序要求的尺寸及外觀質量。目前緊固件磨削常用的砂輪材質為碳化硅和白剛玉，通過工藝驗證，選用碳化硅材料砂輪進行磨削加工，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，螺坯桿徑需進行磨削加工。在磨削螺坯桿過程中，數控車床預留的磨削加工余量是否合適，對于磨削加工產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，按常規參數單邊僅磨削0.03mm進行磨削時，會出現產品尺寸不均勻、局部點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。經多次驗證，在保證產品質量的前提下，選擇最合理的加工余量0.10mm，采用粗磨+精磨的加工方式，能夠有效保證產品質量并提高磨削加工效率。

3.3 外螺紋滾壓成形技術

由于螺紋是緊固件的典型特征，其成形質量極大地影響緊固件產品的結構強度和性能水平，因此，航空航天等領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床上對金屬坯料進行徑向擠壓，使金屬產生塑性變形而形成螺紋，并使螺紋強化的加工技術。與車制螺紋相比，滾壓螺紋具有材料利用率高、表面質量好、螺紋強度和表面硬度高及疲勞壽命和生產效率高等特點。螺紋在滾壓成形過程中，材料的塑性變形抗力加大，硬度和強度得到提高，而塑性和韌性下降，即產生加工硬化現象，極易使螺紋牙頂形成裂紋和折疊等缺陷。對于這類難加工材料的螺紋加工技術，通過對螺紋成形過程分析，計算及驗證滾壓螺紋的螺紋坯徑，確定滾壓力、滾輪轉速、滾輪進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等問題，保證了滾壓螺紋后外螺紋表面質量。螺栓金屬流線如圖3所示。

圖3 螺栓金屬流線

3.4 內螺紋攻螺紋成形難點及解決措施

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

4 緊固件性能指標

Nb521材料制造的螺栓、螺釘、螺柱和螺母等多種類型緊固件，產品結構參照HB系列標準。為驗證Nb521緊固件標準性能指標和實測情況，確定Nb521材料性能的穩定性和合理性，按照航空航天型號最普遍使用的幾種頭型、型式和典型規格選擇螺栓、螺釘和螺母來驗證其性能，對其強度和硬度進行檢測。Nb521產品實測性能見表4。

表4 Nb521產品實測性能

5 表面處理

目前，提高難熔金屬在高溫有氧環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對基體起到保護作用，這樣勢必影響合金的其他性能，尤其會造成基體高溫力學性能的下降。而在合金表面加制涂層，既可保護合金基體不受高溫腐蝕或減緩腐蝕速率，又不會改變合金基體成分，可在最大程度上保留合金的高溫力學性能。

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，為性能優良的硅化物復合涂層[6]，涂層厚度為（60±10）μm。涂層檢測及高溫性能滿足大氣環境中：1600℃靜態抗氧化壽命要求≥1h；1800℃靜態抗氧化壽命要求≥0.5h；1800℃冷卻（水冷）至室溫，熱振壽命≥50次。

6 結束語

本文綜合分析了Nb521材料特性、鐓制成形性能、機械加工性能和緊固件結構特點，并制定了Nb521材料緊固件綜合性能指標。通過創新和優化傳統加工工藝，應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，生產的緊固件滿足設計和規范要求，已成功應用于某新型裝備發動機燃燒室尾噴口部位，連接該部位的復合材料，工作溫度為1600～1800℃。研究結果表明：Nb521鈮鎢合金具有優異的工藝性能及高溫性能，可滿足宇航緊固件對材料性能的使用要求。

20221122

專家點評

該文分析了Nb521鈮鎢合金的材料特性和緊固件鐓制成形、機械加工特點，在傳統制造工藝的基礎上進行創新和優化，通過選擇合適的刀具及砂輪材質，確定合理的切削用量，改善機械加工性能；應用外螺紋滾壓和內螺紋攻螺紋技術，改善螺紋質量；應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控設備提高加工效率。螺紋加工采用滾壓和攻螺紋成形技術，通過工藝改進解決了滾絲輪崩牙、螺紋孔牙尖銳邊及毛刺問題。具有很好的專業性和創新思維，為類似高溫材料零件的加工積累了經驗。