鈮及其合金概述
1801年,人們發(fā)現(xiàn)了第41號(hào)元素,命名為“鈳” (Cb)。1804年再度發(fā)現(xiàn)第41號(hào)元素,命名為“鈮” (Nb)。直到1866年證實(shí)“鈮”即是“鈳”。1950年,理論化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)國(guó)際聯(lián)合會(huì)建議統(tǒng)一采用“鈮” (Nb)這個(gè)名稱。鉭的原子序數(shù)為73,于1802年發(fā)現(xiàn)。此后一百年左右處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,本世紀(jì)三十年代才開始在電子工業(yè)和化學(xué)工業(yè)方面得到應(yīng)用。
目前,鈮在鋼中的用量占絕大部分。據(jù)報(bào)導(dǎo), 1971年資本主義國(guó)家用于鋼鐵工業(yè)的鈮-鐵達(dá)6800噸(鈮-鐵一般含50~60%鈮、0.4%碳、8%硅),約占總用量的70~80%。鈮在鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒,提高晶粒粗化溫度;降低鋼的過(guò)熱敏感性和回火脆性;提高強(qiáng)度、韌性和高溫蠕變性能等。 如鋼中添加萬(wàn)分之幾的鈮就可使鋼的強(qiáng) 度提高很多。
鈮的熱中子吸收截面小,抗腐蝕性能好,高溫強(qiáng)度高,可用作原子能反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料和核燃料的包套材料,還可以作為核燃料的添加劑。
鈮及鈮合金在高溫下能保持很高的強(qiáng)度和良好的加工性能。能制成薄板和外形復(fù)雜的零件。因此,在某些超高音速飛機(jī),航天飛行器、衛(wèi)星、導(dǎo)彈和超音速低空火箭上可作為優(yōu)先選用的熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)材料。美國(guó)阿波羅11號(hào)飛船的登月艙下降發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射冷卻噴管延伸段就是用C-103 (Nb-10Hf-1Ti)鈮合金制成的,表面涂有高輻射抗氧化鋁化物涂層。R-4D反作用控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室是用C-103和Scb-291 (Nb-10W-10Ta)鈮合金機(jī)加工制成的。FS-82 (Nb-33Ta-0.75Zr)鈮合金已用于Dynascar飛行器的前緣和襟翼,隨著航空工業(yè)的發(fā)展,飛機(jī)飛行高度(23萬(wàn)米)和速度(23馬赫)的提高,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度需要提高1200°C或更高,而現(xiàn)用鎳基合金加上冷卻技術(shù)的基材,其最高使用溫度不超過(guò)1050℃。這就必然要尋找新的材料。鈮合金和其它難熔金屬可望作為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和結(jié)構(gòu)材料,例如Nb-33Ta-0.75Zr、Nb-10Ti-Mo、Nb-0.75Zr和Nb-10Ti等合金已經(jīng)在超音速飛機(jī)上進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)。但因施加涂層復(fù)雜,成本昂貴,故用鈮合金制作葉片材料的興趣大為減小。
鈮的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高,鈮的化合物和合金可制作超導(dǎo)材料(如Nb35-Ti65、 NbsSn等)。
鈮的熱離子發(fā)射性能良好??芍谱髡婵展艿奈鼩鈩┖偷蛪赫髌?。鈮用于冷子管(一百個(gè)冷子管可以裝在一個(gè)頂針里)中,可以代替電子管和晶體管,大大縮小了設(shè)備的體積, 對(duì)改進(jìn)計(jì)算機(jī)和雷達(dá)都有很大作用。
鈮及鈮合金的熔點(diǎn)高,并在1650℃以下仍具有很高的強(qiáng)度。但是,在高溫易生成沒(méi)有保護(hù)作用的五氧化二鈮(Nb2Os)氧化膜。因此,除了提高基體合金自身抗氧化性能外,還需敷涂保護(hù)涂層,保證合金的高溫性能。據(jù)資料,介紹Sylyania R512E (60%Si20%Cr-20%Fe)系涂層,用在航空和航天飛行器中的燃汽渦輪燃燒器上,是最受歡迎的鈮合金保護(hù)涂層之一。
由于鈮、鉭合金具有優(yōu)良的綜合性能,可以預(yù)見,它們的用量一定會(huì)大幅度增加。但是,鉭的資源較少、成本較高限制了應(yīng)用。目前看來(lái),加強(qiáng)研究合金的組織與性能的關(guān)系,改進(jìn)高溫抗氧化涂層系統(tǒng)、完善生產(chǎn)工藝和增加品種、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本等是難熔金屬今后的主要發(fā)展方向。

