Dieser Artikel beschreibt eine Niob-Hafnium-Titan-Zirkonium-Tantal-Wolfram-Legierung und deren optimiertes Herstellungsverfahren. Das Verfahren kombiniert Pulvermetallurgie mit einem mehrstufigen Schmelz- und Schmiedeprozess. Konkret werden Wolfram (W), Tantal (Ta) und Niob (Nb) Pulver nacheinander gemischt, verdichtet und im Vakuum gesintert, um einen vorlegierten Rohling herzustellen. Dieser Rohling wird anschließend durch mindestens zwei Schmelzzyklen im Elektronenstrahlofen weiter verfeinert, um eine homogene Nb-Ta-W-Vorlegierung zu erhalten. Nach einer Oberflächenbehandlung mit einer Antioxidationsbeschichtung wird die Nb-Ta-W-Vorlegierung warmgeschmiedet, um einen geeigneten Legierungsblock zu formen. Anschließend werden Hafnium (Hf), Titan (Ti) und Zirkon (Zr)-Platten mittels Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) auf die Außenfläche des Rohlings geschweißt, um eine abschmelzende Elektrode herzustellen. Abschließend wird die Elektrode mindestens dreimal im Vakuum umgeschmolzen. Dieses optimierte Verfahren erzielt eine gleichmäßige chemische Zusammensetzungsverteilung der mehrkomponentigen Niob-Legierung, vereinfacht den gesamten Herstellungsprozess, ermöglicht eine präzise Kontrolle des Sauerstoffgehalts und eine genaue Zusammensetzungsregulierung und eliminiert effektiv negative Auswirkungen auf die Gesamtleistung der Legierung.
Die Niob-Hafnium-Titan-Zirkonium-Tantal-Wolfram-Legierung, im Handel bekannt als C-103-Nioblegierung, ist ein typischer niedrigfester und hochduktiler Niob-basierter Konstruktionswerkstoff. Sie weist hervorragende Warmumformeigenschaften auf, darunter überlegene Warmfließpress-, Warmschmiede-, Walz- und Schweißbarkeit, und kann zu verschiedenen Profilen wie Stangen, Rohren und Bändern verarbeitet werden. Dank ihrer ausgezeichneten Hochfrequenz-Vibrationsbeständigkeit und Tieftemperaturtoleranz findet die Legierung breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt sowie in Antriebssystemen. Zu den typischen Komponenten gehören Düsenverlängerungen für Flüssigkeitsraketentriebwerke, Orbitalmanövertriebwerke, Lageregelungstriebwerke mit hoher Duktilität und strahlungsgekühlte Brennkammern. Sie dienen als zentrale Strukturbauteile für Raumfahrzeuge, Trägerraketen und Strahltriebwerke.
Das Vakuumschmelzen von Verbrauchsmaterialien ist die gängigste Herstellungstechnologie für die Nioblegierung C-103 und basiert auf kundenspezifisch gefertigten Verbrauchsmaterialien. Die größte technische Herausforderung bei der Herstellung der C-103-Legierung liegt in den signifikanten Schmelzpunktunterschieden der einzelnen Elemente. Wolfram (W), Tantal (Ta) und Niob (Nb) sind typische hochschmelzende Metalle mit extrem hohen Schmelzpunkten, die über 800 °C höher liegen als die von Titan (Ti) und Zirkonium (Zr). Da Niob mit hohem Massenanteil das dominierende Matrixelement der Legierung ist, lässt sich das hochschmelzende und hochdichte Wolfram, Tantal und Niob nicht direkt mit Hafnium (Hf), Titan und Zirkonium zu integrierten Verbrauchsmaterialien verpressen. Demnach stellt die gezielte Einbringung der Elemente W, Ta und Nb den entscheidenden Engpass für die Herstellung hochwertiger C-103-Nioblegierungen dar. Die spezifischen Schmelzpunkte der einzelnen Elemente sind: 3410 ± 20 °C für Wolfram, 2995 °C für Tantal, 2468 °C für Niob, 2227 °C für Hafnium, 1852 °C für Zirkonium und 1668 °C für Titan.
Im Vergleich zu reinem Nb und Ta weisen herkömmliche Nb-Ta-Vorlegierungen niedrigere Schmelzpunkte und Dichten auf, wobei folgende Schmelzpunktreihenfolge gilt: reines Nb, reines Ta, reines W > Nb-Ta-Vorlegierung > Ti, Zr, Hf. Diese Eigenschaft ermöglicht eine relativ stabile Schmelzpunktanpassung zwischen der Vorlegierung und den niedrigschmelzenden Bestandteilen beim Schmelzen von Verbrauchsmaterialien. Daher wird die Dotierungsmethode mit der Nb-Ta-Vorlegierung in bestehenden Verfahren zur Einbringung von Ta und Nb häufig angewendet. Dennoch weist die Nb-Ta-Vorlegierung bei der metallurgischen Aufbereitung einen höheren Schmelzpunkt und eine höhere Dichte als Ti und Zr auf. Diese Diskrepanz führt leicht zur Bildung ungeschmolzener Nb- und Ta-Fragmente im Schmelzprozess, was zu mikrostruktureller Entmischung und Zusammensetzungsinhomogenität in den fertigen Legierungsprodukten führt. Darüber hinaus kann die sekundäre Zugabe von Legierungsabfällen Sauerstoffverunreinigungen einbringen, was zu einer unzureichenden Kontrolle des Sauerstoffgehalts und instabilen Legierungseigenschaften führt.
Angesichts der oben genannten Mängel bestehender Technologien zur Herstellung von Niob-basierten Legierungen, darunter ausgeprägte Mikrostruktursegregation, Zusammensetzungsinhomogenität, unkontrollierbarer Sauerstoffgehalt und ungenaue Komponentenregulierung, die die Gebrauchseigenschaften der Legierung beeinträchtigen, wird in dieser Arbeit eine neuartige Niob-Hafnium-Titan-Zirkonium-Tantal-Wolfram-Legierung und deren optimiertes Herstellungsverfahren entwickelt. Die vorgeschlagene Technologie löst die genannten technischen Probleme effektiv und realisiert eine gleichmäßige chemische Zusammensetzungsverteilung, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren, eine präzise Sauerstoffkontrolle und eine genaue Zusammensetzungseinstellung, wodurch eine Leistungsverschlechterung der Legierung vermieden wird.
Angesichts der oben genannten Mängel bestehender Technologien zur Herstellung von Niob-basierten Legierungen, darunter ausgeprägte Mikrostruktursegregation, Zusammensetzungsinhomogenität, unkontrollierbarer Sauerstoffmangel und ungenaue Komponentenregulierung, die die Leistungsfähigkeit der Legierung beeinträchtigen, wird in dieser Arbeit eine neuartige Niob-Hafnium-Titan-Zirkonium-Tantal-Wolfram-Legierung und deren optimiertes Herstellungsverfahren entwickelt. Die vorgeschlagene Technologie löst die genannten technischen Probleme effektiv und realisiert eine gleichmäßige chemische Zusammensetzungsverteilung, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren, eine präzise Sauerstoffkontrolle und eine genaue Zusammensetzungseinstellung, wodurch eine Leistungsverschlechterung der Ziellegierung vermieden wird.
Das optimierte Herstellungsverfahren der Mehrkomponenten-Niob-Legierung wird im Folgenden detailliert beschrieben. Zunächst werden hochschmelzende W-, Ta- und Nb-Pulver als Rohmaterialien verwendet, die nacheinander gemischt, elektrolytisch verdichtet und vakuumgesintert werden. Der erhaltene vorgesinterte Rohling wird zwei Durchgängen im Elektronenstrahlofen unterzogen, um einen homogenen Nb-Ta-W-Legierungsblock zu erzeugen. Der Block wird anschließend zu quadratischen Legierungsstäben geschmiedet. Durch WIG-Schweißen werden Hf-, Ti- und Zr-Platten auf die Staboberfläche aufgebracht, um Verbund-Verschleißelektroden herzustellen. Nach drei Zyklen des Vakuum-Umschmelzens der Schweißelektroden wird die homogene Niob-Hafnium-Titan-Zirkonium-Tantal-Wolfram-Legierung erfolgreich gefertigt.
Zur Sauerstoffkontrolle wird die Nb-Ta-W-Vorlegierung vor dem Warmschmieden mit einer Antioxidationsschicht überzogen. Die beim Schmieden entstehende Oxidschicht wird durch Hobeln vollständig entfernt. Dieses Verfahren reduziert den Sauerstoffeintrag während der Warmumformung erheblich und verbessert die Genauigkeit der Sauerstoffgehaltskontrolle der Endlegierung deutlich. Hinsichtlich der Stabilität der Zusammensetzung beseitigt die Verwendung der Nb-Ta-W-Vorlegierung anstelle der herkömmlichen Ti-Nb-Ta-Vorlegierung Abweichungen in der Zusammensetzung und Leistungseinbußen, die durch die Hochtemperaturverflüchtigung von Ti-Elementen während des Sinterns verursacht werden.
Darüber hinaus ermöglicht das Elektronenstrahlschmelzen eine ausreichende Legierung der hochschmelzenden Elemente W und Ta mit der Nb-Matrix, wodurch indirekt der Gesamtschmelzpunkt der Vorlegierung gesenkt wird. Das anschließende Vakuumlichtbogenschmelzen bewirkt eine effektive Verbindung zwischen der Nb-Ta-W-Vorlegierung und den niedrigschmelzenden Elementen Hf, Ti und Zr. Während des Lichtbogenschmelzens bilden die Nb- und Ta-Phasen eine poröse Gerüststruktur, die das gleichmäßige Schmelzen und die Diffusion der hochschmelzenden Metallkomponenten beschleunigt. Diese strukturelle Weiterentwicklung beseitigt grundsätzlich das Entmischungsrisiko von W-, Ta- und Nb-Phasen, löst die seit langem bestehenden Probleme der mikrostrukturellen Heterogenität und der Komponentensegregation in der traditionellen Niob-Legierung C-103 und führt letztendlich zur Herstellung einer Hochleistungs-Niob-Hafnium-Titan-Zirkonium-Tantal-Wolfram-Legierung mit einheitlicher Mikrostruktur und stabiler Zusammensetzung.
