一種鈮合金薄壁管材承壓能力檢測及組織性能研究

薛建嶸，高選喬，任廣鵬，林小輝，李斌，夏明星，鄭欣，周青山

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

材料工程

一種鈮合金薄壁管材承壓能力檢測及組織性能研究

薛建嶸，高選喬，任廣鵬，林小輝，李斌，夏明星，鄭欣，周青山

（西北有色金屬研究院，陜西西安710016）

采用閉端內壓爆破試驗方法對φ12×0.54 mm C103鈮合金薄壁管材（以下簡稱C103）的承壓能力進行了評估，并對爆破后管材的微觀組織進行了研究，通過閉端內壓爆破檢測系統(tǒng)獲得了C103薄壁管材的爆破周向極限強度和周向延伸率，分別達到了472 MPa～477 MPa和19.41%～19.43%，這說明其具有較好的塑性和承壓能力。

管材內壓閉端爆破檢測系統(tǒng)；鈮合金（C103）薄壁管材；承壓能力；延伸率

C103鈮合金薄壁管材是一個高塑性低（中）強鈮合金，含有10%Hf、1.0%Ti和0.7%Zr的鈮基合金，通過向鈮中加入Hf、Ti、Zr合金元素而實現(xiàn)合金的固溶強化，也可以用冷加工的方法提高它的強度但塑性有所下降。它的主要特點是：允許含有較多的間隙雜質含量，箱內外氬弧焊接和真空電子束焊接性能良好，改型鋁化物和硅化物加涂性能尚佳，加工和成型性能優(yōu)良，在1 000～1 500℃區(qū)間有一定的強度，在超高真空環(huán)境中，其10 h的熱穩(wěn)定性能良好。C103鈮合金適用于制造液體火箭發(fā)動機噴管延伸段、軌道發(fā)動機和高塑性姿態(tài)控制發(fā)動機幅射冷卻推力的那個高溫部件。

本實驗主要通過管材內壓爆破測試系統(tǒng)[1]對C103管材進行多次承壓能力檢測，最終測試出C103管材周向極限強度及周向延伸率分別達到472 MPa～477 MPa和19.41%～19.43%.

1 管材內壓爆破測試系統(tǒng)原理

管材內壓爆破測試系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)由液壓泵站、液壓控制部分、液壓執(zhí)行部分與一些輔助裝置組成。液壓泵站由液壓泵3，濾油器2，溢流閥13，壓力表5，節(jié)流閥12，精密濾油器7，油箱16組成。當液壓泵3啟動后，油箱16中的油液經濾油器2吸入泵中，泵3輸出的壓力油可以經溢流閥13流回油箱，也可以經節(jié)流閥12、精密濾油器7為伺服閥供油。當系統(tǒng)工作時，關閉節(jié)流閥12，通過溢流閥13將液壓泵的輸出壓力調節(jié)為21 MPa.打開節(jié)流閥12，壓力油進入到控制、執(zhí)行回路為系統(tǒng)提供壓力油；通過計算機為電液伺服閥輸入電流，增壓缸工作，計算機自動輸出數(shù)字控制信號，經D/A轉換器將數(shù)字控制信號變?yōu)槟M信號，并作為功率放大電路的輸入，利用功率放大電路放大后的輸出電流控制電液伺服閥（見圖2）的輸出P1、Q1，P1、Q1經增壓減流裝置后為試件的檢測提供工作介質，壓力的變化使壓力傳感器輸出模擬電信號，經放大器放大后，用轉換器把模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號傳入計算機，為試件加載直至爆破。當工作完畢，立即通過溢流閥13把壓力調到零，然后按停止按鈕使液壓泵停止運行，一方面與設定值比較，通過上述過程對其進行控制，使之符合要求，另一方面，在計算機界面上顯示當前壓力值和壓力變化曲線，另外，試件變形時，試件上的應變傳感器輸出的電信號經放大和經轉換后進入計算機顯示變形曲線檢測數(shù)據(jù)在計算機中儲存檢測數(shù)據(jù)。對管材在彈性階段以要求的（13.8±1.4）MPa/min升壓速率升壓，并在彈性階段后以初始升壓速率的泵輸入液體體積繼續(xù)加壓，直到試樣爆破。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖1 液壓伺服系統(tǒng)原理圖與管材內壓爆破檢測系統(tǒng)界面

圖2 微機電液伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

2 C103薄壁管材閉端內壓性能檢測試驗

2.1 前期準備

采用同一批次φ12×0.54×150 mm的薄壁管材進行4次試驗（同一批次），配用專用夾具[2]（見圖3），試樣內預先注滿試驗介質（機油），將試樣一端封閉并將另一開口端與管材內壓爆破測試系統(tǒng)端口（見圖1序號8）連接，測量其準確長度、平均壁厚、平均外徑尺寸等數(shù)據(jù)，在參數(shù)設置中輸入管材壁厚、外徑尺寸及有效長度（見圖1），點擊保存即可。

圖3 爆破試樣夾具、配件及裝配

2.2 試驗過程

對同一批次的試樣進行初步裝夾，然后開始加壓，使系統(tǒng)中的試驗介質從試樣接口處連續(xù)流出，排除試樣、連接管道中的游離氣體，再裝配緊試樣。點擊圖1界面中的開始系統(tǒng)→啟動液壓泵→開始加載→直至試樣爆破。

2.3 實驗結果

通過對C103鈮合金薄壁管材的試驗，爆破試驗后的試樣樣品之一如圖4所示，測試結果顯示C103鈮合金φ12×0.54×150 mm的薄壁管材的最大承壓能力達44 MPa～44.1 MPa，如圖5所示，爆破后測量管材周向的最大長度為42 cm～45 cm.

圖4 爆破后的試樣樣品

圖5 試件壓力與時間

根據(jù)周向極限強度按公式S=PD/2T.

其中S為周向極限強度（MPa）；P為最大流體壓力（MPa）；D為外徑平均值減去壁厚平均值（mm）；T為試驗前最小壁厚（mm）.

經計算該管材周向極限強度為472 MPa～477 MPa.

δ為破口的總周向延伸率（%）；Lmax為破口的最大周長（mm）；D0為爆破前平均外徑（mm）.

經計算該管材的周向延伸率為19.41%～19.43%.

同一批次的C103管材在爆破后的延伸率和周向極限強度沒有明顯的變化，通過對比發(fā)現(xiàn)C103具有良好的穩(wěn)定的周向極限強度及延伸率。見圖6.和爆破之前試樣比較，管壁在破裂前經內壓作用發(fā)生了明顯的塑性變形（見圖7），這是由于在內壓作用下導致外壁在壁薄弱處出現(xiàn)局部變形爆裂，經計算管材斷面收縮率可達93.1%.

圖6 管材周向延伸率與周向極限強度特性曲線

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖7 掃描電競下的微觀組織性能

3 結論

本研究對C103管材（φ12×0.54×150 mm）進行了試驗，根據(jù)試驗結果得出以下結論：

（1）C103管材具有良好的承壓能力和延展性能，其承壓能力達44 MPa～44.1 MPa，周向極限強度為472 MPa～477 MPa，周向延伸率為19.41%～19.43%，斷面收縮率可達93.1%.

（2）C103管材（無缺陷）在爆破過程中處于中間部位延軸向破裂破裂，若用于長輸油氣等介質必須進一步對管材承壓能力進行研究改進。

[1]丁學鋒，杜彥亭，劉建章，等.管材內壓閉端爆破測試系統(tǒng)的研制[J].原子能科學技術，2003，37（增刊1）：98-101.

[2]王德華，袁改煥，李恒羽，核用鋯合金管材爆破試驗工藝的改進[J].稀有金屬快報，2006（10）：36-38.

The Microstructure and Pressure-Bearing Property of Thin-Wall Tube Nb Alloy

XUE Jian-rong，GAO Xuan-qiao，REN Guang-peng，LIN Xiao-hui，LI Bin，XIA Ming-xing，ZHENG Xin，ZHOU Qing-shan
（Northwest Institute For Non-ferrous Metal Research，Xi’an Shaanxi 710016，China）

In this research，the pressure-bearing ability was evaluated for the φ12×0.54 mm thin-walled tube of C-103 nb alloy（C103）by closed-end burst testing，and the microstructure of the cracked tubes was studied as well.According to the closed-end burst testing system，the cicumferential ultimate strength and elongation exceeded 472 MPa～477 MPa and 19.41%～19.43%of C103，respectively，which indicates that the ductility and pressurebearing ability of C103 are satisfactory.

closed-field burst tester for tube；thin-wall tube of C-103 nb alloy（C103）；pressure bearing capacity；elongation

TG146

A

1672-545X（2017）03-0181-03

2016-12-22

薛建嶸（1989-），男，陜西漢中人，大專，助理工程師，研究方向：設備管理與維修研究。