氧對鉭棒鉭板等鉭合金熱加工有哪些影響?

鉭合金因其優(yōu)異的耐高溫性和耐腐蝕性，在苛刻工況環(huán)境下的應用越來越多，但其偏高的價格對于擴大應用范圍和用量有著很大的阻礙作用。對于高鎢鉭合金而言，制備成本高的一個重要原因就是加工時成材率很低。鉭是高活性金屬，暴露在300℃以上的空氣中時極易吸氧。鉭合金尤其是高鎢鉭合金的強度較高，變形加工特別是開坯階段往往在1000℃以上進行。這會導致鉭合金急劇氧化。因表面氧化而造成的材料損失大大降低了材料的收得率，并使熱加工工件的表面質量降低。還給后道加工工序帶來很大的困難。本文研究了高鎢鉭合金熱加工中氧對工件表面的作用及其導致的工件表面的缺陷類型，以期對鉭合金在熱加工過程中的氧化現(xiàn)象有個明確認識。

1、實驗

在實際工況環(huán)境下加熱高鎢鉭合金工件，進行自由鍛造或型模鍛造，鍛造結束后自然冷卻至室溫。觀察鍛件表面狀況。將鍛件熱軋成板，一面留有鍛造裂紋；另一面將鍛造裂紋用砂輪打磨干凈。另取熱鍛造產(chǎn)品橫截面進行微區(qū)硬度檢測，了解從表面層到內部的硬度變化，以此推測氧的作用深度。

2、結果與討論

2.1 高鎢鉭合金的熱加工缺陷

高鎢鉭合金的開坯加工和熱加工溫度一般均在1000℃以上，甚至達到1300℃以上。在加熱和熱變形過程中。由于鉭和氧的親和性及氧在鉭合金中較大的擴散速度，工件表面層大量吸氧，生成氧化層，最外層為高價氧化物，因體積比基體增加很多。導致了表面層的粉化和崩潰，如圖1所示。由次表面層到基體，氧含量逐漸降低，形成較厚的固溶體硬化層。

變形時易產(chǎn)生表面裂紋，后續(xù)的機加工非常困難，易損傷刀具。降低機加工效率，增加材料的加工損耗。

由此而造成的材料損耗非常大(僅表面氧化層脫落即可使材料損耗5％以上。吸氧固溶硬化層被機械去除的比例更大)，致使材料的收得率非常低。當損耗過大時，由于產(chǎn)品尺寸的限制，有可能造成單個產(chǎn)品的完全報廢。加大產(chǎn)品投料尺寸，則增加了加工余量，造成浪費，大大降低了產(chǎn)品成材率，尤其對小尺寸的產(chǎn)品更為嚴重。

表層晶粒較難變形，晶界處易形成裂紋。鍛造自由表面多為顆粒狀突出。突出顆粒間是白色疏松的高價氧化物。如圖2所示。由于氧沿晶界擴散較快，表面熱裂多沿晶界形成。且與氧化過程互相促進，形成惡性循環(huán)。

熱鍛造過程中，因形狀不斷變化，鍛件的表面積也會不斷變化。表面積增加時，新鮮表面出露，與氧結合形成新的氧化表面和滲氧層；表面積減小時，則已氧化的表面易形成折疊。反復鍛造時，裂紋深入鍛件內部形成折疊性裂紋，見圖3。繼續(xù)變形，這種折疊會造成表面大裂紋，且越來越深。在本研究的加工過程中，鍛造平面上這種裂紋的深度可達4mm以上，見圖4。

熱軋板的表面裂紋根據(jù)軋前表面狀況的不同而有所不同。若軋前表面有裂紋殘留，則軋制時基本在原有裂紋位置上擴展，新生裂紋較少，如圖5(a)；若軋前表面裂紋處理較干凈。則軋制中表面多產(chǎn)生與軋制方向相垂直的密集小裂紋，如圖5(b)。在熱軋板的側邊，則產(chǎn)生與軋制方向約成450角的交叉裂紋，見圖6。

鉭合金表面增氧硬化不僅對熱加工有很大影響，當熱加工產(chǎn)品表面硬化層未去除干凈時，還會對后續(xù)的冷加工造成很大影響。尤其是繼續(xù)進行板材冷軋時。表層氧含量高時，變形抗力增大，增大了軋制力。減小了道次變形量，也使最小軋制厚度變厚，同時產(chǎn)生邊部側裂紋和表面微裂紋的可能性也大大增加。

鉭合金中氧含量增高，提高了強度，降低了塑性。熱加工過程中表面增氧硬化，使工件內外的組織性能和力學性能差別變大。尤其是熱加工中，工件內部保持原來的低氧高塑性狀態(tài)。工件表面層為高氧硬化狀態(tài)．再加上工件表面溫度低于內部溫度，使工件外表層塑性降低很大，材料內部的大塑性流動使不易變形的表面被拉裂。

2.2 熱加工產(chǎn)品的表面硬化分析

在一定范圍內。鉭合金硬度隨氧固溶量的增加而增大。測量合金的硬度可間接反映氧的固溶量。

取熱加工產(chǎn)品橫截面進行微區(qū)硬度檢測，可知從表面層到內部的硬度變化。圖7標明了熱鍛件端部的顯微硬度測量部位。表l是由表面向內部的測量結果。由表可見，顯微硬度的變化趨勢是越靠邊部越高，表層硬化層的厚度約為2 mm左右，裂紋尖端處的硬化層小于1mm，硬度的最大增加值可達2700MPa左右．增硬約1.7倍。隨硬度的增加，材料塑性降低，變形中產(chǎn)生裂紋。由此可見，熱鍛造中鉭合金表面的吸氧量非常大。因此需要通過采取一些措施，來減少工件的表面增氧。

2.3 鉭合金的熱加工防護

一般，可以采取以下的方法來減少氧的侵入：工件外金屬包套、表面涂層嗍、保護氣氛加熱、快速短時加熱和少道次大變形加工等。

包套后加工在鉭合金熱鍛造開坯階段很難做到，這是因為合金開坯鍛造溫度很高．很難找到可匹配的耐熱材料，一般的材料在1000℃以上都比鉭合金軟礙多，變形時這些包套材料很容易就會被打薄破裂或撕裂，不僅失去保護作用，還會影響加工過程的操作。本研究中，在工件表面涂以合適的表面玻璃基防氧化涂層．在變形前的加熱階段和加工變形過 程中，都可以有效地防止工件的劇烈氧化。加工后只需用砂輪打磨或噴砂方式清除表面殘留涂層即可。

若玻璃基抗氧化涂層成分選取不當。則抗氧化效果會大大降低，有時甚至會在熱加工一開始即大量脫落，失去防護效果；采用保護氣氛加熱。可防止工件在加熱過程中的氧化，但變形過程中。使用保護氣體操作難度大，很難起到保護作用。且氣體消耗大，會危害操作人員身體健康；采用短時快速加熱、少道次大變形加工等短工藝流程，可減少工件處于高溫狀態(tài)的時間，對于減少工件的表面氧化有積極作用。

實際加工過程的操作中．應根據(jù)加工工件的要求和現(xiàn)場具體條件，選擇合適的抗氧化措施，以求達到最佳能效比。

3、結論

(1)鉭棒、鉭板等鉭合金材料在熱加工過程中，表面層大量吸氧，粉化嚴重，使次表面層因氧的固溶而硬化，塑性降低，導致產(chǎn)生表面裂紋。且裂紋尖端處繼續(xù)快速氧化。

(2)熱加工鉭合金工件表面硬化層的厚度可達到2mm左右，由外及里硬度逐漸降低，顯微硬度的最大差值可以達到2000MPa左右。

(3)合適的表面保護涂層，在熱加工變形過程中，可有效降低工件的氧化速度，減少氧化危害。實際加工過程的操作中，應根據(jù)加工工件的要求和現(xiàn)場具體條件，選擇合適的防氧化措施，以求達到最佳能效比。

參考文獻：

【l】 婁燕雄，劉貴材．鉭鈮譯文集【M】．長沙：中南工大出版社，1987．12-33．

【2】 稀有金屬手冊編輯委員會．稀有金屬手冊(Ⅱ。)嗍．北京：冶金工業(yè)出版社．1995．462．463．

【3】婁燕雄，劉貴材．鉭鈮譯文集【M】．長沙：中南工大出版社，1987．134-139．

【4】 婁燕雄，劉貴材．鉭鈮譯文集【M】．長沙：中南工大出版社．1987．5l-64．

【5】 湛峰，李艷．鈦合金在等溫鍛造時的氧化行為【J】．熱加工工藝，2008，37(7)：96-98．