симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 2), страница 60

Сравнение температурной зависимости удельной прочности бв/б (4 — плотность) некотоых сплавов тугоплавких элементов 35]; 1 — в-88; г — тум; 3 — т-ггг 473; 4 — 9О-0,5 — 1Н1-0,5 — 1С; 5 АЗТАН-811С, Т вЂ” 111, Та — 1ОеГ, "б— вероятный предел для сплавов Та, нластнчиых прп комнатной темпера- туре о пи ыов 131виггхззв хввоывохву1ГО Рнс.19.8. "Предел полэучести" (иапряиение О' т для установивы шейся скорости полэучести 10 тс ') некоторых сплавов на основе Мо при 1315 оС (Зб]: 1 — тум(м -1,0т1 — 0,09у — о,гсй г ТУС(мо — 2,8Т1-0 ЗУт-0,7С); 3— НЬ-ТУМ(Мо-1,7НЬ-1,2Т1— -О,ЗУг-0,5С); 4 — Мо — НС(мо- 0,0Н1 — 0,5С); 5 — Мо-ДНС(мо— где-07Н( — 0,5С) зоо гвв гоо г гза и пув вв о 308 приемов порошковой металлургии.

Другие сплавы на молибденовой основе, улрочняемые карбидами гафни я (Мо — 0,2Н1-0,2С) илн ниобня, развивают еше более высокую длительную прочность (см. рис. 19.8) [36], однако в продажу зти сплавы не поступают. Молибденовые сплавы подвержены эксплуатационному охрулчиванию в результате вязко-хрупкого перехода, типичного для металлов с решеткой о.ц.к. Это явление можно полностью устранить добавкой до 50% рения, однако из-за высокой стоимости и высокой плотности рения применимость таких сплавов ограничена.

Разработанный недавно сплав Мо— 13% Ве способен сочетать хорошее сопротивление ползучести с повышенной низкотемпературной пластичностью. Ухудшение свойств молибденовых сплавов может быть результатом загрязнения кислородом в процессе изготовления ° и рекристаллизационной обработки, а также присутствия ст очечных включений карбидов по границам зерен, параллельным направлению вытяжки (обработки давлен ) Х пкость наступает при содержании кислорода всего в РУ 0,0006 % (ат.).

Однако в решетке сплава кислород может быть связан углеродом; пока соотношение углерода и кислорода превышает 2:1, это вредное влияние кислорода может быть заблокировано [37]. В сплаве ТУМ присутствуют титан и цирконий, они связывают углерод в карбиды МеС, усложняя ситуацию. Таким образом, к методам пластификации молибденовых сплавов, относятся легирование рением, устранение поверхностных загрнзнений, регулировка содержания примесей и удаление карбидов с границ зерен [38]. Сплавы на молибденовой основе пробовали использовать в качестве материала для газотурбинных лопаток.

Нашли, что они применимы лишь в специальных неокислительных средах. В некоторых областях промышленного применения при низких или умеренных температурах молибденовые сплавы превосходят суперсплавы ло своим теплофизическим свойствам. Вольфра.и. Этот металл, самый тугоплавкий и один из самых тяжелых в периодической системе, тоже проявляет чрезвычайную хрупкость при низких температурах, если только не подвергнут тшательнейшей обработке.

Она заключается в очень интенсивном высокотемпературном "наклепе" в присутствии мелкодисперсных частиц К,О или Т]эО1. Сплав жльфр~- ма с 30% рения пластичен, однако масштабы его применения ограничены дороговизной рения. Сплав хт'-3% Ве (марка 31)) в связи с его высоким электросопротивлением используется в лампах-вспышках (импульсных лампах). Для упрочнения в сплавы вольфрама вводят мелкодислерсные оксидные или карбидные частицы и подвергают наклепу. Прочности очень высок даже с учетом разницы в плотности (рис. 19.7). Выше упоминалась возможность использования таких сплавов в качестве высокопрочных армирующих волокон в композиционных материалах с металлической матрицей. Благодаря своей особой тугоплавкости сплавы на основе вольфрама за л ф ама закрепили за собой хорошие позиции на промыш- 309 ленном рынке. Однако чрезвычайно высокая плотность и отсутствие какой-либо противоокислительной стойкости (% образует оксид, возгоняюшийся и диссоциирукнций при температурах >1000 оС) препятствуют успешной конкуренции этих материалов с суперсплавами.

Ниобий. "Ниобиевые суперсплавы" возможны. Это подтверждено применением сплава С-103 в качестве материала для сопловых створок в турбинном двигателе (см. гл. 20). Однако для полной реализации всех возможностей этих сплавов необходимо решить ряд очень сложных проблем. Преимушества и недостатки ниобиевых сплавов, предназначенных для эксплуатации в окислительной атмосфере, таковы: Преимущества Недосгвтки Близость плотности к плотности Низкое значение модуля Юнга никели Хорошел растворимость легируюизик Открытии структура о.н.к.

элементов Оо зо ре азине твердой оксидноа Склонность к окрупчиввннвг элементами внедрении пленки Однако важно иметь в виду, что быстро образовавшаяся плошная оксидная пленка ОчЬзОз) не являе ся защитной, низкий модуль упругости, напротив, в некоторых случаях может превратиться в достоинство. Большинство ниобиевых сплавов (табл. 19.5) отличается хорошей деформируемостью, свариваемостью и неплохой прочностью. На сегодняшний день упрочняюшее легирование ниобия осуществляется простым упрочнением твердого раствора тугоплавкими элементами с высокими модулями д лями упругости и дисперсного упрочнения карбидами типа МеС.

Зля образования твердых растворов замещения, отличающихся повышенным сопротивлением ползучести, чаще всего вводят вольф ам, молибден и тантал. Элементы с высокой реакционной способрам, ностью, цирконий и гафний, взаимодействуя с углеродом и азотом, образуют очень мелкие выделения, еше более повышающие сопротивление ползучести.

Алюминий и титан повышают стойкость основного металла против окисления; однако они понижают температуру плавления и поэтому отрицательно сказываются на прочности. Сплавы выплавляют электроннолучевым способом или в вакуумной печи с двумя расходуемыми электродами и с последующей обработкой давлением. Литейные ннобиевые сплавы не известны. 310 Образование сплошной оксидной пленки ИЬзО„не облада- ющей защитными свойствами, происходит с постоянной ско- ростью роста. Поэтому легирование твердого раствора на- правлено на создание поверхностного защитного слоя и та- кого химического состава основного сплава, который обес- печивал бы постоянную подпитку покрытия необходимыми хи- мическими элементами и, таким образом, сохранность защит- ного слоя.

Чтобы избежать потери прочности, легирование должно быть тщательно сбалансировано. Защитное покрытие требуется даже для обработки сплавов при температурах >424оС в окислительных средах, дабы минимизировать раст- ворение кислорода, способного вызвать охрупчивание. Покрытия образуются посредством поверхностного воздей- ствия алюминием, титаном и кремнием. Создаваемый в на- стоящее время защитный кремнистый слой рассчитан на экс- плуатацию при температуре не выше 1500 оС. Ниобиевые сплавы вызывают большой интерес как материа- лы для оболочек ядерного топлива (из-за малого ядерного сечения), их используют в качестве коррозионно-стойких материалов в области химической технологии, а также в конструкциях авиадвигателей.

Сплав гчЬ-1% (по массе) Уг отличается малым сечением захвата тепловых нейтронов, приемлемой прочностью и прекрасной технологичностью, по- этому его широко применяют в ядерных системах, которые содержат жидкие металлы, работающие при 982 — 1200'С. Не- редко этот сплав рассматривают как перспективный материал для "первой стенки" термоядерных реакторов и применяют в лампах, работающих на парообразном натрии.

Сплавы В-88 и С-1 принадлежат к числу наиболее прочных ниобиевых сплавов (рис. 19.7). Твердорастворное упрочне- ние сплава С-103 (см. табл. 19.5), очевидно, в сильной степени зависит от содержания гафния, а дисперсное упроч- нение — от содержания комплексных карбидов типа МеС. Пос . крытие у него "на собственный манер", но оно работает, Таким образом, система сплава С-103 с покрытием — первая, положившая начало применению тугоплавких металлов в авиа- ционных двигателях. Этот сплав применяют и в двигателях ракет, когда требуется умеренная прочность в диапазоне 1093 — 1370 оС, Таким образом, сплавы на основе ниобия обладают запа- сом прочности для применения при температурах >1370 оС и 311 продемонстрировали возможность расширения допустимого диапазона режимов эксплуатации суперсплавов в воздушной среде (по крайней мере, в одном конкретном конструктивном решении).

Новые современные металлургические процессы (порошковая металлургия, быстрая кристаллизация, плазменная обработка и другие) в сочетании с классическими методами упрочнения (мелкодисперсными частицами или твердорастворного) и с интенсивным горячим и холодным деформированием могут послужить хорошим технологическим средством для повышения прочности и теплостойкости ниобиевых сплавов. Тантал. Сплавы на основе тантала также технологичны и перспективны как высокопрочные материалы, однако их разработка сдерживается высокими стоимостью и плотностью, а также дефицитностью. Твердорастворное упрочнение тантала элементами замещения в основном носит такой же характер, как и в сплавах ниобия. Так как вольфрам оказывает более сильное упрочняющее воздействие, чем молибден, то во все сплавы тантала добавляют 7 — 10 % %, Сплавы Т-111 (рис.

19.7) и Т-222 представляют собой легированные гафнием модификации сплава Та — 10% (с углеродом), имеющие приблизительно такую же технологичность. Для эксплуатации >482 оС в окислительной среде танталовые сплавы нуждаются в защитном покрытии. Широкое распространение тантал пол- У ,чил в качестве материала для конденсаторов, а в силу высокой коррозионной стойкости в кислотах и других химических реагентах его применяют в соответствующих областях промышленного производства. Краткое обобщение Из четырех тугоплавких металлов три (Мо, тЧ и Та) не пригодны для использования в турбинах, работающих на воздухе, из-за высокой склонности к химическому взаимодействию со средой и высокой плотности.

В зависимости от того„о каком из свойств этих металлов идет речь, они сохраняют свою конкурентоспособность на рынке металлов для изделий, используемых в электротехнике, химии и механических конструкциях, не подвергаемых окислению, в том числе при высокой температуре. Четвертый, ниобий, с трудом поддается упрочнению, а его поверхностная стабильность в воздушных средах нахо- дится на предельно допустимом уровне. Однако уже существует по крайней мере один вариант его применения при высоких температурах.