Влияние легирования на фазовый состав, структуру, термоэмиссию и жаропрочность ниобия (1095012), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Приводятся способы получения, обработки и состав сплавовниобия, описаны использованное оборудование и методы исследованияобъектов.Сплавы ниобия систем Nb-C, Nb-Mi и Nb-Mi-C (где Mi – Mo, Ti или Zr)лабораторной выплавки были получены методом двойного электродуговоговакуумного переплава с расходуемым электродом.
Основой электрода служилштабик ниобия, к которому привязывалась проволока из легирующихэлементов в количествах, обеспечивающих получение заданного составасплава. Углерод вводился в виде ламповой сажи в заранее высверленныелунки в штабике и забивался ниобиевыми пробками.Плавка осуществлялась в медном водоохлаждаемом тигле с кристаллизацией слитка на специальной затравке из ниобия. Полученные слитки обтачивались с поверхности до диаметра 48 мм, а их вес составлял от 3 до 5 кг. Затем следовал отжиг по режиму 1500 °С, 3 час. для снятия внутренних напряжений и частичной гомогенизации с целью успешного прессования слитка напруток.
Последнее проводилось на 600 - тонном прессе с предварительнымподогревом на установке ТВЧ в токе аргона или гелия. В зависимости от состава температура нагрева колебалась от 1500° С до 1700° С. Для уменьшенияокисления и газонасыщения при нагреве слитки обмазывались стеклографитовой смазкой.Пруток, полученный в результате экструзии, имел диаметр от 15до 18 мм. Из него изготовлялись образцы для структурных исследований иизученияфизико-механическихсвойствприкомнатнойивысокойтемпературах.Кроме того, многокомпонентные сплавы системы Nb-Mo-Ti-Zr-C выплавлялись в полупромышленных условиях по технологии, несколько отличнойот описанной выше.
Первый переплав указанных сплавов был осуществлен вэлектроннолучевой печи, следующий - в электродуговой вакуумной печи.Полученные слитки подвергались двойному горячему прессованию с диаметра 90мм на диаметр 50мм, а затем с 50мм на пруток 15 мм, из которогоизготовлялись образцы для исследований.Термическая обработка сплавов проводилась на вакуумной установке, созданной на базе электропечи CHBЛ-1,6 MOI (р≤10-3 Па).
Вакуум создавалсяпластинчато-роторным насосом НВР-5Д и диффузионным Н-2Т с азотнойловушкой. Скорость охлаждения достигала 300°/сек. для фиксации высокотемпературного состояния.Измерение температуры образцов производилось оптическим пирометромЛОП-72 с систематической погрешностью 3-5 град., и среднеквадратичнымотклонением случайной погрешности ± 3 град.Структура сплавов изучалась на микроскопе «Olympus» после химическоготравления шлифов, приготовленных обычным методом в реактиве (2 частиHNO3, 1 часть H2SO4, 1 часть HF и 1 частьН2О). Для выявления более тонкихструктурных образований хорошие результаты дало использование такого жереактива, содержащего несколько капель перекиси водорода.С целью определения фазового состава образцы сплавов подвергалисьрентгеноструктурному(РСА)имикрорентгеноструктурному(МРСА)анализам на установках ДРОН - 2 и «Саmеса».Избыточные вторые фазы выделяли методом электролитического растворения образцов в спиртовом растворе (1 - 10%) в области потенциалов0,28 - 0,35 В [37].
Затем выделенные вторые фазы исследовались электроно-графическим и рентгенографическим методами с целью определенияих состава.Микротвердость сплавов измерялась на микротвердомере фирмы «Struers»при нагрузке 100г (ГОСТ 9450 - 76) с погрешностью АН = ± 5 - 10 %. Прианализе распределения микротвердости в пределах зерна в зависимости отсодержания углерода для охвата деформацией возможно меньших объемов,применялась нагрузка в 5 г. В этом случае наряду с твердостью оценивалосьрассеяние ее значений в зависимости от содержания углерода в сплавах.Статические испытания на растяжение проводились на машине «Шевенар»с автоматической записью деформации на фотопленке.
Кроме того проводились кратковременные испытания на растяжение в вакууме при температурахдо 1800 К на машине «Инстрон».Измерение удельного электросопротивления сплавов проводили по методувольтметра-амперметра.Измерение работы выхода электрона сплавов осуществлялось на специально сконструированной установке, позволяющей проводить измерения вбезмасляном вакууме не хуже 10-3 Па при нагреве образцов размером10х10х(1,5 - 2,0) ММ электронной бомбардировкой в температурном интервале1200-2000 К.Температура образца измерялась оптическим пирометром ЭОП-66 с систематической погрешностью 2 - 4 градуса и среднеквадратичным отклонением погрешности 2 - 6 град.Для исследования работы выхода электрона использовался метод полноготока, позволяющий измерять среднюю эффективную работу выхода электрона,включающую в себя температурную зависимость работы выхода.
Методпозволяет с высокой точностью измерять работу выхода электрона реальныхэмиттеров,что(электронныеневозможномикроскопыиприиспользованиипроекторы)из-залокальногомалойметодаповерхностиисследуемых объектов и низкой точности определения их температуры.Для определения φ по методу полного тока использовалось уравнение вприближении нулевого отражения (R=0).где φ – эффективная работа выхода эмиттера, эВ;Т – температура образца, К;S – площадь параметрического коллектора (см2),I - ток насыщения, (А).Испытания на ползучесть сплавов ниобия проводились на вакуумнойустановке ВПНС-2, позволяющей испытывать одновременно 6 образцов ввакууме 1*10-3Па при постоянном напряжении на образце в течение всеговременииспытания.Записьдеформацииосуществляласьспомощьюиндикатора с ценой деления 0,002 мм.
Нагрев образцов проводился с помощьюмолибденового нагревателя. В целях уменьшения газонасыщения в процессеиспытаний, образцы были обернуты в танталовую фольгу. Регулированиетемпературы обеспечивалось регулятором ВРТ-2 с точностью ± 1 °С.Для определения длительной прочности катодов ТЭП в МГТУ им.Н.Э.Баумана был разработан стенд, позволяющий имитировать силовыефакторы, возникающие в катоде в реальных условиях его работы.
На стендеодновременно можно было испытывать до 3х цилиндрических катодов изразличных материалов, соединенных в сборку. Стенд состоит из 4х основныхчастей: вакуумный,системынагруженияобразцоввнутри полостнымдавлением, радиационного нагрева, измерения температуры.Насос предварительного разряжения ВН-1МГ обеспечивает вакуум всистеме до 1 Па, паромаслянный вакуумный агрегат ВА-05-4 служит длясоздания и поддержания вакуума не менее 5·10-3 Па в рабочем объемекамеры.В систему радиационного нагрева входят нагреватели диаметром 1 мм извольфрамовогосплаваВА,регулируемыйисточникпитанияэлектронагревателей, многослойные радиационные экраны из танталоплатиновой фольги (∆=0,2мм.), служащие для уменьшения боковых потерь ивыравнивания температурного поля вдоль испытуемых катодов.Измерения и регистрация температуры катодов осуществлялась вольфрамрениевымитермопарами,самописцем КСП-4.соединеннымиспотенциометромПП-63иСистема нагружения образцов внутриполостнымдавлением состоит из баллона с аргоном, редуктора давления, вакуумныхвентилей,обеспечивающихоткачкусистемы,мановакууметрадлярегистрации давления в полостях катодов в процессе эксперимента, ресивера,служащего для компенсации влияния температуры на внутри полосноедавление газа.
Испытуемые катоды, соединенные сваркой электронным лучом всборку по 3 штуки, через жесткие ниобиевые вставки соединялись с системойнагружения внутриполостным давлением посредством технологическогопереходника с тепловыми развязками.ГЛАВА 4. Приведены данные исследования влияния легирующих элементови углерода на микроструктуру, фазовый состав, термоэмиссию и механическиесвойства ниобия в литом, деформированном и отожженном состояниях.В литых сплавах ниобия наблюдалась ликвация, степень развития которойопределялась содержанием легирующих элементов и углерода в матрице.
Впроцессе охлаждения слитков в местах с повышенным содержанием углеродауспевалпройтипроцессобразованияотдельныхкрупныхчастицгексагональных карбидов ниобия, на участках с пониженной концентрациейуглерода распад практически не успевал произойти и это определялонекоторую химическую и структурную неоднородности литых сплавов.Химическаяиструктурнаянеоднородностилитыхсплавовниобияопределяли заметные различия твердости по зерну, при испытаниях нарастяжение во всех случаях наблюдалось хрупкое разрушение, запас прочности,определяемый химическим составом сплавов, не реализовался.Деформация литых сплавов приводила к изменению структуры иобразованию зерен, вытянутых в направлении течения материала.
В процессепоследующегопроцессыотжигапротекалидеформированныхнеравномерно,сплавоврекристаллизационныевследствиезначительнойнеоднородности литой структуры.В соответствии со структурными изменениями, происходящими принагреве деформированных сплавов, изменялись и их механические свойства.Для всех сплавов наблюдалось резкое падение твердости в определенномтемпературном интервале, при этом температурная область разупрочнениясдвигаласьвсторонунелегированнымрентгеновскойувеличенияниобием.линии(110)температурыТемпературныенаходилисьвпосравнениюзависимостисоответствиисширинысданнымиизмерения твердости и показали, что при относительно невысокихтемпературах (<Трекр) упрочнение зависело, главным образом, от атомногонесоответствиялегирующихэлементовиосновы.Сповышениемтемпературы роль этого фактора снижалась, и решающее значениеприобретали диффузионные процессы. Так, для сплавов ниобия различия встепени упрочнения легирующими металлами (за исключением составов сцирконием) сглаживались при температурах порядка 1400-1500 °С.В сплавах ниобия, содержащих порядка 5 % Zr, при температурах 12001400°С наблюдалось образование кубических карбидов циркония.Ходкривыхзависимостейтвердостиипределапрочностидлямногокомпонентных сплавов ниобия системы Nb-Mo-Ti-Zr-C (содержатся 1015%Мо, 3-3,52%Ti, 0,92-1%Zr, 0,09-0,18%С ) имел такой же характер, что и длядвойных и тройных сплавов, однако уровень прочностных характеристик былвыше.Увеличениетермодинамическисодержанияактивногорекристаллизационныхпроцессов,углеродацирконияприэтомвсплавахпривелоизучениеприкналичииторможениюмикроструктуруказывало на процессы распада твердых растворов.
В соответствии срезультатами фазового анализа при этих температурах для данных сплавовтермодинамически устойчивыми вторыми фазами явились кубическиекарбиды циркония, которые и определили более высокие прочностныепоказатели.Особенностиструктурныхизмененийвсплавахвлитом,деформированном и отожженном состояниях влияли на важнейшуюрабочую характеристику материалов - термоэмиссию.Экспериментальные данные показали, что разброс значений работы выходаэлектрона литых сплавов достигал 0,3-0,35 эВ, что связано с сильноймикронеоднородностьюструктуры.Деформацияуменьшиларазбросзначений этой характеристики до 0,2-0,25 эВ, но лишь после отжигов при 16001800 °С значения работы выхода электрона сплавов становились достаточностабильными.Все легирующие элементы в ниобии снижали значения работы выходаэлектрона, кроме молибдена, причем для всех сплавов наблюдались практическилинейные зависимости термоэмиссии от концентрации.Таким образом, химическая и структурная неоднородности сплавов ниобия влитомсостоянии,неравномерноераспределениевторыхфазвдеформированном состояниях отрицательно сказываются на комплексе ихфизико-механических свойств - сплавы необходимо подвергать термическойобработке.ГЛАВА 5.
Рассмотрено влияние термической обработки на процессыраспада пересыщенных твердых растворов переходных металлов 4А-6Агрупп и углерода в ниобии. Показано, что закалка сплавов с температур 17501900°С (Vохл=600°/мин) приводит к созданию пересыщенных твердых растворовс редкими выделениями вторых фаз, форма и количество которых зависело отскорости охлаждения, количества легирующих элементов и углерода, а такжеот температуры закалки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
