鈮棒鈮板等鈮合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用實例與鈮材料分類

鈮合金的應(yīng)用

多年來鈮合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域和產(chǎn)品之中，如鋼和活性金屬用鈮合金化：做陰極保護用陽極：應(yīng)用于超導(dǎo)、火箭噴嘴、航天器鉚釘、高壓鈉燈等。概括起來鈮合金在工程和高科技的應(yīng)用有以下幾方面：高溫工程中的應(yīng)用。當(dāng)要用于高溫環(huán)境，又要確保強度時，可用鈮合金來替代鎢或者鉭等重金屬元素。在這些應(yīng)用里蠕變強度和抗氧化圖層是主要考慮的問題。

由于鈮在難熔金屬中具有出色的綜合性能：熔點較高、密度最低、在1093—1427℃范圍比強度最高、溫度低至-200℃仍具有良好的塑性和良好的加工性，使它成為宇航方面優(yōu)先選用的熱防護材料和結(jié)構(gòu)材料。但它的高溫抗氧化性能不好，在450℃以上必須有抗氧化涂層。表1歸列了一些鈮合金在宇航中的應(yīng)用實例。

從上述的許多事例中可以看出鈮在宇航領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，主要包括液體火箭發(fā)動機輻射冷卻噴管延伸段，液體推進劑姿孔發(fā)動機上，MX導(dǎo)彈三級發(fā)動機以及再入飛船放熱蒙皮。

鈮合金在航空工程方面應(yīng)用時需要加防護層的部件是渦輪葉片，加力燃燒室內(nèi)襯與高超音速飛機的前緣等部位。鈮合金在航空方面的應(yīng)用實例如表2所示。低溫高科技中的應(yīng)用。自1954年鈮基超導(dǎo)體出現(xiàn)，人們在研究其性能同時，還不斷地探索它在實際中的應(yīng)用，鈮合金在超導(dǎo)方面有了更進一步的應(yīng)用。Nb.47Ti超導(dǎo)合金可制成包銅導(dǎo)線，應(yīng)用于磁性振子成像磁鐵和高能物理方面，如磁性探測器和磁束處理器件。還可應(yīng)用于聚變反應(yīng)堆用的磁屏蔽鈮基導(dǎo)線／電纜；高能物理設(shè)備中空腔諧振子器里的高純鈮基超導(dǎo)體等。目前情況表明，NbTi導(dǎo)體主要用于磁場(<10T)方面，而Nb3Sn導(dǎo)體主要用于高磁場(>10~15T)。

從市場來看，鈮基超導(dǎo)體市場可分為商業(yè)型和項目型，前者如磁共振成像(MRI)．磁共振光譜(NMR)等，后者如大型強子碰撞機，聚核反應(yīng)堆(ITER)項目等，超導(dǎo)體最重要的用途，如MRI、NMR、聚核反應(yīng)堆和高能物理學(xué)。

磁共振成像(MRI)在醫(yī)藥、生物和藥理方面是一強有力的工具，從目前的功能上說，磁共振成像(MRI)越來越成為成熟的診斷工具，并且磁共振成像是鈮超導(dǎo)材料的最大應(yīng)用方面。21世紀(jì)初，全球每年超過2000的單位生產(chǎn)，估計設(shè)備基數(shù)為12000臺左右。

核磁共振光譜(NMR)在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料研究領(lǐng)域也成為有力的分析工具。例如，在MRJ方面研究原子核的磁共振；在NMR光譜方面，被研究的某一同位素共振線的光譜被記錄下來和分析可以得到試樣中分子結(jié)構(gòu)的信息。核磁共振光譜儀被化學(xué)、生物科學(xué)、生物醫(yī)藥公司、大學(xué)和科研機構(gòu)普遍采用，它們用于標(biāo)準(zhǔn)檢測(如質(zhì)量控制)和現(xiàn)在科學(xué)研究中。

聚核反應(yīng)堆技術(shù)為今后電力生產(chǎn)提供了另一種選擇。能量的主要來源是兩個氫同位素氘和氚反應(yīng)生成氦和中子。質(zhì)子攜帶大部分能量，然后轉(zhuǎn)化成電能。聚核反應(yīng)堆發(fā)生在非常高的溫度下，只有如此，物質(zhì)才能以加入的粒子組成的等離子狀態(tài)存在。等離子不能置于一容器內(nèi)，而只能用磁場約束。在過去幾十年中，聚核反應(yīng)堆在應(yīng)用越來越多的磁體系統(tǒng)實驗推動下向前發(fā)展。為了獲得好的磁場約束，聚核反應(yīng)裝置的幾何形狀是環(huán)形的，只有這樣磁場的磁力線才是封閉的。其中使用Nb3Sn材料能夠活得很高的磁場(典型的12～3T)，NbTi能夠被用到8T，但是其磁體系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。據(jù)報道，韓國使用Nb3Sn和NbTi建造自己的環(huán)型核聚反應(yīng)堆裝置，估計使用大約26噸Nb3Sn和12噸NbTi。

加速器技術(shù)和高能物理以及鈮基超導(dǎo)體實際上已緊密共存近40年了。無線電頻率空穴是當(dāng)今被用來提供離子束有效加速，而NbTi導(dǎo)體被用來作線束磁體。在探測器磁體中彎曲和集中線束，探測器內(nèi)粒子發(fā)生碰撞，被碰撞產(chǎn)生的粒子需要探測和分析。從超導(dǎo)體技術(shù)研究的早期開始，這些用途就充當(dāng)著技術(shù)發(fā)展的動力。例如，帶鈮擴散障礙體極細絲的NbTi導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展與加速器磁體相關(guān)聯(lián)。

已經(jīng)成功建成了幾個大超導(dǎo)加速器，現(xiàn)在處于成功運轉(zhuǎn)之中。目前更大的加速器／對撞機，大型強子對撞機．LHC，正在瑞士的日內(nèi)瓦建設(shè)。在這臺機器中，兩束質(zhì)子在一個20kin的環(huán)道中，以相反的方向加速。加速后這兩束質(zhì)子發(fā)生碰撞，在碰撞區(qū)域安裝了粒子探測系統(tǒng)，其中就包括含有大的超導(dǎo)磁體。整個裝置需要的材料總重量是470噸NbTi和26噸鈮片。

鈮合金材料在照明工業(yè)中的應(yīng)用。30多年前在Westinghouse的Newark機構(gòu)，鈉蒸汽燈第一次發(fā)光。開始設(shè)計燈時，與內(nèi)裝置鈉蒸汽的石英弧管接觸的關(guān)鍵金屬元件端帽和引線是用鉭制造的。投入生產(chǎn)后，鈮制元件迅速取代了鉭制端帽和引線，與鉭相比，鈮耐高壓鈉的腐蝕性與鉭相似，但節(jié)約了75％的成本。如今Nb．1Zr是制造高壓鈉燈(HPS)中關(guān)鍵技術(shù)元件的最佳材料。

另外，鈮合金在電子工業(yè)、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

鈮合金材料的分類

鈮合金按用途可以分結(jié)構(gòu)合金、超導(dǎo)合金和彈性合金。結(jié)構(gòu)合金又分為：高強度合金、中等強度和塑性合金、低強度高塑性合金、高強度抗氧化性合金、塑性抗氧化型合金和抗腐蝕和金。在高強度合金中既含有大量的W、Mo和c等固溶強化元素，還含有Ti、Zr和Hf與Nb形成彌散強化相的活性元素，添加這些元素使合金材料具有更高的高溫蠕變強度。高強度鈮合金塑性加工性能較差，在實際生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)格控制變形工藝參數(shù)。典型的結(jié)構(gòu)鈮合金如表3所示。