ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ. ИХ СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

 

Для современной высокотемпературной техники требуются конструкционные материалы, способные работать в течение длительного времени при температурах выше 1000-1030°С, т.е. более высоких, чем рабочие температуры жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов. Удовлетворить эти требования, как показывает практика, могут только жаропрочные сплавы на основе тугоплавких металлов. .

К тугоплавким металлам принято относить все переходные металлы с температурами плавления выше, чем у железа (1539°С). Большинство из них характеризуется малой распространенностью в природе, однако благодаря удачному сочетанию жаропрочности и других физико-химических свойств сплавы этих металлов стали использовать на практике.

Ниже рассматриваются жаропрочные сплавы важнейших тугоплавких металлов: группы УА(ванадий, ниобий, тантал) и VIA (хром, молибден, вольфрам), по которым уже накоплен сравнительно большой фактический материал. Что касается таких металлов, как гафний из группы IVA, рений из группы VIIA, а также благородные металлы (рутений, родий, осмий и др.), то сплавы на их основе не нашли заметного применения из-за малой доступности и высокой стоимости их основ. Исключение составляет немногочисленная группа жаропрочных циркониевых сплавов, применяемых главным образом в качестве оболочек тепловыделяющих элементов и других деталей активной зоны ядерных реакторов, а также отдельные платиновые сплавы, используемые для изготовления стеклоплавильных сосудов. Поэтому эти группы сплавов здесь не рассматриваются.

Поскольку жаропрочные сплавы на основе тугоплавких металлов по своей кристаллической структуре (о. ц. к. решетка) и физико-химическим свойствам отличаются от жаропрочных сплавов цветных металлов (г. ц. к. и г. п. у. решетки), то целесообразно коротко остановиться на особенностях тугоплавких металлов и перспективах использования их сплавов в современной технике.

Тугоплавкие металлы характеризуются повышенной прочностью межатомных связей, на что указывают высокие значения их температур плавления (и кипения), теплот сублимации, модулей упругости и, наоборот, низкие значения сжимаемости, коэффициентов термического расширения, упругости паров и других характеристик.

Таблица 3.

Важнейшие физико-химические свойства тугоплавких металлов групп VA и VIA.

Металл	Температура плавления °С	Температура кипения °С	Теплота сублима- ции кДж/г атом (ккал/г атом)	Модуль упругости при 20°С, Е 10-3 МН/м² (кГ/мм²)	Коэффи- циент терми ческого расширения при 20°С  10 /град	Коэффицие нт теплопровод - ности при 20°С, Вт/(м град) [кал/(см сек град)]	Плотпость г/см
Ванадий Ниобий Тантал Хром Молибден Вольфрам	1900 2468 3000 1875 2625 3380	3350 4927 5427 2199 5560 5900	516(122,9) 724(172.5) 781(186,5) 398(95,0) 660(157,5) 848(201,9)	126(12,6) 106(10,6) 188(18,8) 250(25,0).336(33,6) 415(41.5)	8.3 7,1 6,55 8.4 5,44 4,59	31.0(0.074) 52.4(0,125) 54,5(0.130) 67,0(0.16) 125.0(0.298) 129.8(0,31)	6.1 8.57 16.6 7.2 10,2 19,3

 

Жаропрочные сплавы тугоплавких металлов стали находить практическое применение лишь в последние годы, когда были освоены в промышленных масштабах методы их получения (дуговая и электроннолучевая плавка), обработки давлением, защиты от окисления при высоких температурах, сварки и т.п.

К настоящему времени наиболее изучены жаропрочные и сравнительно технологичные ниобиевые сплавы, предназначенные для работы при 1200 - 3000°С. Жаропрочные танталовые сплавы могут применяться при I 300-1600 С, однако они более дефицитны и дороги из-за повышенной стоимости тантала. Кроме того тантал имеет ограниченные возможности легирования, поэтому его сплавы получили небольшое распространение.

Сравнительно недавно начаты исследования жаропрочных ванадиевых сплавов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что они способны удовлетворить требования конструкторов в широком температурном интервале - ОТ 650-700 до 1000-1100° С. Из тугоплавких металлов VIA группы наибольшее внимание как основе жаропрочных сплавов уделяется молибдену и, по-видимому, хрому. Жаропрочные молибденовые сплавы предназначаются для работы при температурах 1250-1450°С и выше, сплавы на основе хрома-при 1050-1150° С и, наконец, самые тугоплавкие вольфрамовые сплавы-при температурах выше 1650° С. Практическое использование жаропрочных сплавов на основе молибдена и особенно хрома и вольфрама тормозится их низкой пластичностью (хрупкостью) при комнатной и невысоких температурах.

Основными областями применения жаропрочных сплавов тугоплавких металлов являются электроника, ядерная энергетика, авиационная, ракетная и другие области новой техники. Если 10-15 лет назад жаропрочные сплавы тугоплавких металлов считались материалами будущего, то в настоящее время можно утверждать, что без этих сплавов невозможно развитие важнейших областей современной техники.

 

ВАНАДИЕВЫЙ СПЛАВЫ

 

Жаропрочные ванадиевые сплавы - наименее изученная группа конструкционных материалов, хотя ванадий является одним из самых распространенных в природе редких рассеянных элементов. Среди металлов группы VA ванадий наиболее легкоплавкий температура плавления 1900° С) и имеет минимальную плотность (6,1 г/см), которая только в 1,35 раза больше плотности титана. При температурах до 600°С нелегированный ванадий обладает повышенной прочностью и умеренно прочен при более высоких температурах. По удельной жаропрочности ванадий превосходит нержавеющие стали, а жаропрочные ванадиевые сплавы могут успешно конкурировать со многими ниобиевыми и молибденовыми сплавами до 1250° С.

 

ХРОМОВЫЕ СПЛАВЫ

 

Максимальные рабочие температуры жаропрочных никелевых сплавов не превышают 1000-1030° С, что не позволяет увеличить мощность и тягу современных авиационных двигателей. Дальнейшее повышение рабочих температур лопаток (до 1100-1150° С и выше) требует замены никелевых сплавов более жаропрочными и жаростойкими материалами, способными в течение длительного времени (сотни часов) сопротивляться ползучести и действию агрессивных газовых сред.

В этом отношении перспективными считаются жаропрочные хромовые сплавы, обладающие повышенной жаропрочностью [σ =50-120(5-12) Мн/м2 (кГ/мм)] и жаростойкостью при 1050-1100° С, сравнительно небольшим удельным весом (~7,2 г/см3] и большими сырьевыми ресурсами. Однако хромовые сплавы характеризуются повышенной хрупкостью при температурах ниже 300 - 350° С, особенно в рекристаллизованном состоянии, что определяет их низкую технологическую пластичность и высокую чувствительность к различным дефектам (надрезам, микротрещинам и т.п.). Кроме того, в процессе длительных нагревов при высоких температурах жаропрочные хромовые сплавы склонны к поглощению азота, что также отрицательно сказывается на их низкотемпературной пластичности.

 

НИОБИЕВЫЕ СПЛАВЫ

 

Среди тугоплавких металлов ниобий наиболее изучен, на его основе разработано большое число жаропрочных деформируемых сплавов разного назначения, предназначенных как для кратковременной, так и для длительной службы при температурах 1100-1250° С и выше.

Как растворитель ниобий сравнительно доступен, имеет высокую температуру плавления (2468° С), небольшую плотность (8,57 г/см) по сравнению с молибденом, танталом и вольфрамом, прочен при высоких температурах, пластичен при обработке давлением и хорошо сваривается различными видами сварки. Основным недостатком ниобия является его невысокое сопротивление окислению на воздухе, особенно при температурах выше 400-500°С. Из других полезных свойств следует отметить низкое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов ниобия (1,1 барн/атом}, высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние (9,2° К) и повышенную стойкость в расплавах щелочных металлов, используемых в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.

Чистый ниобий (>99,9%) вязок и не охрупчивается в рекристаллизованном состоянии, что позволяет вводить в него значительные количества легирующих элементов (до 20-25%) с целью получения требуемых механических свойств при высоких температурах.

 

МОЛИБДЕНОВЫЕ СПЛАВЫ

 

Современные жаропрочные молибденовые сплавы считаются перспективными конструкционными материалами для длительной работы при 1200-1350° С, а при кратковременном использовании-до 1500-1600°С. Для работы в окислительных средах жаропрочные молибденовые сплавы нуждаются в защитных покрытиях, так как сам молибден нежаростоек. По жаропрочности молибденовые сплавы превосходят жаропрочные ниобиевые сплавы, особенно при температурах выше 1400°С. и уступают только нелегированному вольфраму и жаропрочным вольфрамовым сплавам.

Как растворитель молибден имеет высокую температуру плавления (2625°С), умеренную плотность (10,2 г/смг) по сравнению с танталом, вольфрамом и другими тугоплавкими металлами, и высокий модуль упругости Е=330 Гн/м (=33000 кГ/мм) при комнатной температуре, который ниже только модулей упругости осмия, иридия, рутения и вольфрама. Содержание молибдена в земной коре 3* 10"%, что превышает содержание тантала, вольфрама и других металлов.

Практическое использование жаропрочных молибденовых сплавов сдерживается их невысокой пластичностью в литом состоянии, сравнительно высокими температурами перехода деформированных полуфабрикатов из пластичного в хрупкое состояние (выше, чем у жаропрочных ниобиевых и ванадиевых сплавов), сильной окисляемостью на воздухе выше 650°С (из-за легкоплавкости и летучести основного окисла МоО ) и хрупкостью сварных соединений.

 

ТАНТАЛОВЫЕ СПЛАВЫ

 

Жаропрочные танталовые сплавы получили меньшее распространение по сравнению со сплавами других тугоплавких металлов (ниобия, молибдена и др.) главным образом из-за дефицитности тантала и небольших возможностей его легирования.

Существующие жаропрочные танталовые сплавы представляют собой твердые растворы и предназначаются главным образом для работы в нетяжелых условиях при 1300-1650°С и выше. Несмотря на более высокие температуры солидуса, жаропрочные танталовые сплавы по кратковременной и длительной прочности заметно уступают молибденовым сплавам, зато они обладают повышенной технологичностью (пластичностью) и хорошей свариваемостью.

Среди металлов группы VA тантал имеет самую высокую температуру плавления (3000° С), исключительно* пластичен и вязок по сравнению с другими тугоплавкими металлами. Однако тантал мало распространен в природе и поэтому относится к редким металлам. Кроме того, у тантала большая плотность (16,6 г/см3) по сравнению с ниобием, молибденом и другими более легкими тугоплавкими металлами, что существенно снижает удельную прочность и жаропрочность танталовых сплавов, и невысокое сопротивление окислению.

Свойства жаропрочных танталовых сплавов представляют интерес не только с точки зрения определения их места среди других групп жаропрочных сплавов, но также для выяснения возможностей легирования и повышения жаропрочности тантала. Удачное сочетание высокотемпературной прочности, пластичности и вязкости в литом и рекристаллизованном состояниях позволяет предполагать,, что на основе тантала возможно создание не только жаропрочных, но и одновременно технологичных (т.е. деформируемых и свариваемых) сплавов, которые могут удовлетворять различным требованиям современной техники.

 

ВОЛЬФРАМОВЫЕ СПЛАВЫ

 

Вольфрам является самым тугоплавким (температура плавления 3380° С) и жаропрочным среди металлов и поэтому представляет большой практический интерес как основа сверхжаропрочных сплавов. Один из существенных недостатков вольфрама как растворителя - низкое сопротивление окислению на воздухе при температурах выше 500°С, поэтому вольфрамовые сплавы нуждаются в защитных покрытиях. Несмотря на пониженную пластичность при умеренных температурах и высокую. плотность (~19 г/см²), современные жаропрочные вольфрамовые сплавы рекомендуются для работы при 1650-2200° С и выше, т.е. в таких температурных и силовых условиях, в которых не может работать ни один из существующих жаропрочных сплавов.

При предельно высоких рабочих температурах (2500° С и выше) жаропрочные вольфрамовые сплавы по свойствам мало отличаются от растворителя. Поэтому в этих условиях широко применяется нелегированный вольфрам. Несмотря на сравнительную доступность вольфрама, практическое использование его жаропрочных сплавов сдерживается их очень низкой пластичностью (и вязкостью) в литом состоянии, повышенными температурами перехода различных деформированных полуфабрикатов из пластичного в хрупкое состояние (400 - 500° С), хрупкостью сварных соединений, а также низким сопротивлением окислению на воздухе и в других окислительных средах.
Вывод

 

Из всего выше сказанного следует заметить, что на жаропрочность металлов и сплавов влияет химический состав и технология получения. Следовательно, при правильном применении этих фактов можно добиться желательной жаропрочности.

Используемая литература

 

1. "Выносливость жаропрочных материалов" Акимов Л.М.

2. "Жаропрочные стали и сплавы" Масленков СБ.

3. "Жаропрочные и жаростойкие металлические материалы" Банных, Поваров.

4. "Жаропрочные сплавы" Захаров М.В., Захаров A. M.