發布日期：2023-10-6 22:33:30
通常情況下，難熔金屬主要是指熔點達到2000℃以上的金屬物質，其中基本包含了鎢、鉬、鉭、鈮、釩等金屬物質。本文主要涉及到的難熔金屬為前四種。難熔金屬與其合金材料的相似之處在于它們均熔點較高，抗液態金屬的腐蝕性良好，高溫條件下強度較高，基本使用的溫度范圍在1100℃到3320℃之間，大大高于高溫合金，且大多數為可塑性加工，它們是航天航空的主要高溫結構材料。難熔金屬與其合金的使用溫度和他們自身的熔點狀況存在著直接聯系，其中自高到低的順序是：鎢合金(錸金屬)、鉭合金、鉬合金以及鈮合金，其中錸金屬作為一種價格較高的物質，其加工硬化速度較快，同時它也是一種塑性加工相對困難的材料。受到可加工性能以及密度的影響，當前運用最廣泛的合金是鉬合金以及鈮合金。從一些科學實驗中我們可以總結出，伴隨著使用溫度的提高，鎢合金的高溫強度下降最為緩慢，而鉭合金卻表現得稍快一些，下降速度從快到慢依次是鈮合金、鉬合金。
一、航空航天難溶金屬材料中的鎢合金
鎢是耐熱性最好的金屬，同時其密度較大，強度也是難熔金屬中最高的，此外他的彈性模量較好，膨脹系數小，蒸氣壓較低。鎢的缺點則是高溫氧化性和低溫脆性，在航天航中，鎢及其合金能制作火箭噴管，離子火箭發動機的噴氣葉片、定位環、離子環、燃氣舵和熱燃氣反應舵。用鉬作為固體火箭發動機的喉管喉襯、進口套管，能夠將使用溫度提升至3320℃以上。
在鎢中添加錸能夠改善原來鎢元素的室溫延性以及高溫性能，鎢錸合金相比單純的鎢更加堅硬，同時室溫的抗拉強度也可達到3260MPa，焊接性以及耐磨性也良好。為使鎢能夠在2000℃條件下正常使用，最具發展前景的是研發以難溶氧化物和硼化物為基礎的防護層，其具有較好的熱穩定性以及較高的強度。為了有效避免噴嘴受到侵蝕或腐蝕，應使用10％至25％質量分數的．WB以及難溶氧化物ZrO2、ThO2、HfO2構成的防護層。
一、航空航天難溶金屬材料中的鉬合金
鉬的熔點相對于鎢和鉭較低，然而它的密度較小、膨脹系數小以及彈性模量較高，同時它具有更好的高溫蠕變性能，能夠進行合金焊接，而且焊接塑性和強度均能達到相關要求。鉬的主要缺點則是在低溫條件下會出現弱化，高溫條件下具有嚴重氧化特點。
在所有鉬的條件元素中，唯有錸對鉬的低溫塑性會產生積極作用，當加入5％至50％Re時，能夠同時提升鉬合金的低溫塑性、強度以及焊接性能，使鉬合金在結晶后降低脆裂，提升抗震熱性。同時，鉬合金在真空或惰性氣體條件下，不容易出現脆化。
三、航空航天難熔金屬材料中的鉭合金
難熔金屬材料鉭合金的基本特點是高溫條件下強度較高，膨脹系數較小，抗熱震性能良好，具有塑韌性優勢。然而，當合金材料處于500℃以上時，其不具備抗氧化性的優勢，因此，我們可以在其表層涂抹抗氧化圖層，實現保護作用。
處于達到高溫蠕變性能以及高溫強度要求的考慮，美國先后發明了Ta-10W、Ta-12W、T-111、T-222以及ASTAR-811C合金，而原蘇聯除了發明以上合金以外，還進而發明了Ta-3Nb-7.5V、Ta-15W、Ta-20W以及Ta-10Hf-5W合金。其中，Ta-10W合金已應用于阿吉娜宇宙飛船的鼻錐和燃燒室、阿波羅的燃燒室以及火箭發動機噴管得燃氣擾流片。Ta-10W-2.5Hf合金一般應用在液體火箭噴嘴與噴管。當鉭合金達到1204℃以上時，蠕變強度增加。所以，主要用于大型核電力系統的動力轉換，Ta-10W用于宇航核動力裝置的強化結構材料，T-111一般用于空間用包裹熱力發動機熱源的強化結構材料，而T-222主要是為了原冥王星探測器發電裝置研發的材料。此外，ASTAR-811C是高溫蠕變性能最佳的材料。我國自上個世紀六十年代末已陸續研發了Ta-W系列合金，包括Ta-7.5、Ta-10、Ta-12合金，它們均獲得了一定的應用。
鉭合金涂層和鈮合金較為雷同，鉭合金的多元難熔金屬處于靜態空氣下時將表現出良好的抗氧化性。例如，俄羅斯復合材料科學研究生產聯合體Mo-pd、Mo-Hf以及Si-Hf涂層，1700℃靜態空氣時的抗氧化時間可達到40小時以上。我國在這方面研究的Mo-Zr涂層，在1900℃條件下可以使用10小時。
三、航空航天難熔金屬材料中的鈮合金
鈮合金是密度最小的難熔金屬材料，當處于1100℃至1650℃之間條件下將產生較高強度和良好的焊接性，同時他的室溫塑性好，可以制作出薄板或外形相對繁瑣的零件。所以說在超高音速飛機、衛星、航天飛行器、超低空火箭以及導彈中，我們可以將其作為熱防護材料或結構材料。
此外，抗氧化性較差是高溫條件下鈮合金較長時間使用的主要障礙當前鈮合金使用的溫度一般在1100℃至1600℃之間，當處于氧化氣氛或空氣條件下時，我們需要采取可靠性的辦法。和提升合金性能比較，研發耐高溫和使用壽命較長的涂層更重要，通過提升涂層性能，可以使鈮合金使用范圍得到擴展。在大型薄壁構件中，應使用具有良好穩定性的MoSi涂層，這樣可以將使用溫度提高到1400℃以上。我國研制的鈮合金涂層，可在靜態1700℃條件下維持8至20小時。
結語：
綜上所述，難熔金屬材料目前已經廣泛使用在航天航空工程當中，同時取得了較好的效果，成為了航天航空技術分發展進程中不可或缺的材料。此外，航天航空事業的長足發展勢必對難溶金屬材料提出了更高的要求，因此我們應著重加強這一方面工作。
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[作者簡介]
李發倫，男，1989年1月，籍貫：貴州省大方縣，學位：學士，學歷：本科，研究方向：金屬材料與工程。