铌棒铌板等铌合金在航空航天领域的应用实例与铌材料分类

铌合金的应用

多年来铌合金已经广泛应用于许多工程领域和产品之中，如钢和活性金属用铌合金化：做阴极保护用阳极：应用于超导、火箭喷嘴、航天器铆钉、高压钠灯等。概括起来铌合金在工程和高科技的应用有以下几方面：高温工程中的应用。当要用于高温环境，又要确保强度时，可用铌合金来替代钨或者钽等重金属元素。在这些应用里蠕变强度和抗氧化图层是主要考虑的问题。

由于铌在难熔金属中具有出色的综合性能：熔点较高、密度最低、在1093—1427℃范围比强度最高、温度低至-200℃仍具有良好的塑性和良好的加工性，使它成为宇航方面优先选用的热防护材料和结构材料。但它的高温抗氧化性能不好，在450℃以上必须有抗氧化涂层。表1归列了一些铌合金在宇航中的应用实例。

从上述的许多事例中可以看出铌在宇航领域已经得到广泛应用，主要包括液体火箭发动机辐射冷却喷管延伸段，液体推进剂姿孔发动机上，MX导弹三级发动机以及再入飞船放热蒙皮。

铌合金在航空工程方面应用时需要加防护层的部件是涡轮叶片，加力燃烧室内衬与高超音速飞机的前缘等部位。铌合金在航空方面的应用实例如表2所示。低温高科技中的应用。自1954年铌基超导体出现，人们在研究其性能同时，还不断地探索它在实际中的应用，铌合金在超导方面有了更进一步的应用。Nb.47Ti超导合金可制成包铜导线，应用于磁性振子成像磁铁和高能物理方面，如磁性探测器和磁束处理器件。还可应用于聚变反应堆用的磁屏蔽铌基导线／电缆；高能物理设备中空腔谐振子器里的高纯铌基超导体等。目前情况表明，NbTi导体主要用于磁场(<10T)方面，而Nb3Sn导体主要用于高磁场(>10~15T)。

从市场来看，铌基超导体市场可分为商业型和项目型，前者如磁共振成像(MRI)．磁共振光谱(NMR)等，后者如大型强子碰撞机，聚核反应堆(ITER)项目等，超导体最重要的用途，如MRI、NMR、聚核反应堆和高能物理学。

磁共振成像(MRI)在医药、生物和药理方面是一强有力的工具，从目前的功能上说，磁共振成像(MRI)越来越成为成熟的诊断工具，并且磁共振成像是铌超导材料的最大应用方面。21世纪初，全球每年超过2000的单位生产，估计设备基数为12000台左右。

核磁共振光谱(NMR)在化学、生物学、医学和材料研究领域也成为有力的分析工具。例如，在MRJ方面研究原子核的磁共振；在NMR光谱方面，被研究的某一同位素共振线的光谱被记录下来和分析可以得到试样中分子结构的信息。核磁共振光谱仪被化学、生物科学、生物医药公司、大学和科研机构普遍采用，它们用于标准检测(如质量控制)和现在科学研究中。

聚核反应堆技术为今后电力生产提供了另一种选择。能量的主要来源是两个氢同位素氘和氚反应生成氦和中子。质子携带大部分能量，然后转化成电能。聚核反应堆发生在非常高的温度下，只有如此，物质才能以加入的粒子组成的等离子状态存在。等离子不能置于一容器内，而只能用磁场约束。在过去几十年中，聚核反应堆在应用越来越多的磁体系统实验推动下向前发展。为了获得好的磁场约束，聚核反应装置的几何形状是环形的，只有这样磁场的磁力线才是封闭的。其中使用Nb3Sn材料能够活得很高的磁场(典型的12～3T)，NbTi能够被用到8T，但是其磁体系统的几何结构比较复杂。据报道，韩国使用Nb3Sn和NbTi建造自己的环型核聚反应堆装置，估计使用大约26吨Nb3Sn和12吨NbTi。

加速器技术和高能物理以及铌基超导体实际上已紧密共存近40年了。无线电频率空穴是当今被用来提供离子束有效加速，而NbTi导体被用来作线束磁体。在探测器磁体中弯曲和集中线束，探测器内粒子发生碰撞，被碰撞产生的粒子需要探测和分析。从超导体技术研究的早期开始，这些用途就充当着技术发展的动力。例如，带铌扩散障碍体极细丝的NbTi导体技术的发展与加速器磁体相关联。

已经成功建成了几个大超导加速器，现在处于成功运转之中。目前更大的加速器／对撞机，大型强子对撞机．LHC，正在瑞士的日内瓦建设。在这台机器中，两束质子在一个20kin的环道中，以相反的方向加速。加速后这两束质子发生碰撞，在碰撞区域安装了粒子探测系统，其中就包括含有大的超导磁体。整个装置需要的材料总重量是470吨NbTi和26吨铌片。

铌合金材料在照明工业中的应用。30多年前在Westinghouse的Newark机构，钠蒸汽灯第一次发光。开始设计灯时，与内装置钠蒸汽的石英弧管接触的关键金属元件端帽和引线是用钽制造的。投入生产后，铌制元件迅速取代了钽制端帽和引线，与钽相比，铌耐高压钠的腐蚀性与钽相似，但节约了75％的成本。如今Nb．1Zr是制造高压钠灯(HPS)中关键技术元件的最佳材料。

另外，铌合金在电子工业、汽车、生物医疗等领域都得到广泛的应用。

铌合金材料的分类

铌合金按用途可以分结构合金、超导合金和弹性合金。结构合金又分为：高强度合金、中等强度和塑性合金、低强度高塑性合金、高强度抗氧化性合金、塑性抗氧化型合金和抗腐蚀和金。在高强度合金中既含有大量的W、Mo和c等固溶强化元素，还含有Ti、Zr和Hf与Nb形成弥散强化相的活性元素，添加这些元素使合金材料具有更高的高温蠕变强度。高强度铌合金塑性加工性能较差，在实际生产过程中，要严格控制变形工艺参数。典型的结构铌合金如表3所示。