與其他種類的高溫合金相比，高溫鈮合金具有密度低、高溫(600~1600 ℃)比強度高、冷熱成形性能優良、焊接性能好等優點，可以加工成形薄壁和復雜形狀的零件，用來制造火箭發動機、衛星、宇宙飛船和導彈的姿態控制/軌道控制發動機的推力室身部延伸段等部件，是航天結構件的重要候選材料之一。

在航天方面，我國使用最多的是C-103 和Nb521合金，目前，軌道控制/姿態控制發動機難熔金屬材料推力室已形成了“兩代”系列產品。其中“第一代”是鈮鉿合金(即C-103)和“815”涂層體系，“第二代”是鈮鎢合金(即Nb521)和“056”涂層體系。

我國兩代鈮合金發動機推力室及燃燒室的實物照片如圖1所示。

兩種鈮合金的物理性能對比見表2，其高溫拉伸性能如圖2所示。

從圖2可以看出，Nb521 的高溫力學性能遠高于C-103 合金，在1600 ℃下其強度是C-103合金的3~4倍，并被成功應用于多種軌道控制/姿態控制型號發動機。

國內外部分鈮合金在航天工業中的應用實例如表3所列

C-103(Nb-10Hf-1Ti)合金是一種兼具高溫強度較好、成形性及焊接性能優良的低強度鈮合金，被廣泛應用于火箭推進器等領域，是一種應用極為廣泛的鈮合金。我國仿制該合金應用于雙組元液體火箭發動機，并采用硅化鈮高溫防氧化保護涂層，工作溫度可以達到1200~1300 ℃。

該合金通過加入Hf、Ti 和Zr 合金元素實現固溶強化，其中Zr 強化作用比較顯著，Hf 及微量的W主要是改善高溫性能。PANWAR S S, PRASAD K, UMASANKAR PATRO T等人研究了C-103 合金在室溫(RT)~1200 ℃之間溫度范圍內的拉伸性能及斷裂行為(見圖3)，在室溫~1200 ℃之間時合金的應力應變曲線呈現鋸齒狀波動，并發生了動態應變時效(DSA)現象。其溫度變化對該合金的斷裂機制影響也很大， 即從室溫~500 ℃、600~900 ℃、1000~1200 ℃，其斷裂機制分別為韌性斷裂、解理斷裂和沿晶斷裂。

良好的成形性能和穩定的可靠性使得C-103 鈮合金具有優良的性價比，并進一步推動了其在航天領域中的應用。

由于使用溫度和高溫力學性能的限制，C-103合金和硅化鈮防氧化涂層已經難以滿足航天器不斷發展的需求。為此，我國在蘇聯5ΒΜЦ鈮合金的基礎上研制了Nb521(Nb-5W-2Mo-1Zr)鈮合金。該合金采用了硅化鉬高溫防氧化保護涂層，使得工作溫度提高到了1550 ℃左右，顯著減少了冷卻燃燒室推進劑所用的流量，從而有效地提升了發動機的比沖。

Nb521 鈮合金是在鈮基體中添加W、Mo、Zr合金化元素及少量的C元素，以固溶強化和沉淀強化相結合的方式進一步提高了鈮合金的室溫和高溫力學性能，是一種中等強度塑性鈮合金。

Nb521 鈮合金具有良好的室溫成形性能，通常可以采用板材旋壓制備均勻過渡的噴管延伸段，但大部分噴管都是采用棒材經過機加工獲得，機加工難度較大而且材料利用率也比較低。因此，研究Nb521 鈮合金的近凈成形和增材制造是提高該合金材料利用率的一種有效方法。

哈爾濱工業大學的劉寶鹍對等離子體旋轉霧化法制備的Nb521合金粉末進行了研究，發現該方法制備的合金粉末多呈球形且球形度較高，大顆粒粉末表面較為粗糙，小尺寸顆粒粉末表面則比較光滑(見圖10)，其粒徑分布符合標準正態分布；經XRD和納米壓痕實驗分析，結果顯示Nb521 合金粉末中只存在Nb 衍射峰，且隨著粉末粒徑的減小，合金粉末的納米硬度以及最大載荷隨之增加。

YANG J X, HUANG Y J, LIU B K等人采用電子束選擇性熔化(EBSM)法制備了Nb521 合金，并對制備的試樣與鑄錠試樣的顯微組織特征進行了對比研究，如圖11所示。結果表明：EBSM法制備的Nb521 樣品中，析出相含量從頂部到底部逐漸增加，而且不同形貌的點狀或棒狀析出相分布在晶粒內部或沿晶界分布，而在Nb521合金鑄錠中則存在大長寬比的針狀析出相。

另外，在Nb521合金材料制備的硅化鉬高溫抗氧化涂層，具有一定的自愈合能力，而且與Nb521合金材料的線膨脹系數比較接近，因此，具有良好的抗氧化防護性能和結合性能。