Влияние легирования на фазовый состав, структуру, термоэмиссию и жаропрочность ниобия (1095012), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Так, уменьшение скорости охлаждения от 600 до200˚/мин привело к тому, что в области минимальной устойчивостипересыщенного твердого раствора успевают пройти процессы выделенияуглерода, который, взаимодействуя с ниобием, образует гексагональныекарбиды Nb2C.Проведенные исследования влияния температуры закалки на структуру икомплекс физико-механических свойств сплавов позволили установить, чтооптимальная температура составляет 1750 °С.
Понижение температуры закалкидо 1600 °С приводило, по данным резистометрического анализа, кменьшей степени пересыщения твердого раствора, в результате чегопоследующее дисперсионное упрочнение при старении реализовалось неполностью. Увеличение температур закалки до 1900 °С также, в свою очередь,создавалоструктурноесостояниеблагоприятноедляинтенсификациивыделений по границам и субграницам зерен и приводило к огрублениюструктуры.При температурах ниже 1600 °С в закаленных сплавах наблюдался распадпересыщенных твердых растворов, который начинался у границ и субграницзерен, а также около крупных карбидных включений Nb2C, присутствующих взакаленной структуре.
Методами электроннооптического и рентгеновскогоанализов было установлено, что в сплавах ниобия с термодинамическиактивным цирконием и углеродом, образующиеся вторые фазы имели ГЦКрешетку и соответствовали формуле (Zr, Nb)С.Кривые изменения твердости в зависимости от температуры старенияносили аналогичный характер и были типичны для дисперсионнотвердеющих сплавов. Максимальные значения твердости достигались притемпературах старения 1100-1200 °С; дальнейшее увеличение температурыприводило к снижению этой характеристики в связи с коагуляцией вторых фаз.Анализ зависимостей изменений твердости и ширины рентгеновской линии(110) от времени выдержки при различных температурах старения показал, чтовыделение вторых фаз становилось полным уже после 5-ти часовойвыдержке. Дальнейшее повышение выдержки до 100 час. не приводило кувеличению прочностных показателей, т.к.
объемная доля дисперсной фазы неизменилась, а происходила лишь коагуляция мелких частиц. Кроме того, длясплавов ниобия, предварительно закаленных с 1900 °С наблюдаласьизбирательность выделений по границам и субграницам зерен, что привело кухудшению механических характеристик.Экспериментально построенные графики изменения фазового составамногокомпонентных сплавов ниобия в зависимости от температуры иконцентрацииуглеродаицирконияхорошосовпадалистеоретически рассчитанными в главе 2.ГЛАВА 6.
Исследовалось влияние легирования на жаропрочные итермоэмиссионные характеристики сплавов ниобия.Полученные концентрационные зависимости скорости установившейсяползучести ( Tисп = 1100 °C, G = 300 МПа, р=5*10-3Па ), закаленных с 1750 °Сдвойных сплавов систем Nb-Mi (Mi - Mo, Тi, Zr) показали, что малыеконцентрации циркония (0,5-1% по массе) вызывали резкое повышениесопротивления ползучести.
Наименьшую жаропрочность показали сплавыниобия с титаном, что связано с более высокой, по сравнению с другимилегирующими металлами, диффузионной подвижностью и с меньшейтермодинамической устойчивостью соединений титана с примесями внедрения.Упрочняющее действие рассмотренных факторов сохранилось и при болеевысоких концентрациях легирующих элементов ( >1ат% ), однако скоростьустановившейся ползучести возрастала (кроме сплавов систем Nb-Mo) вместес увеличением концентрации.Проведенные испытания на ползучесть показали, что в сплавах ниобия спереходнымисистемами4А-6Агруппнаблюдалосьдействиедвухпротивоположных механизмов: один был связан с воздействием малых дозлегирующих элементов на физико-химическое и структурное состоянияматричного металла, вызывающим его упрочнение, а другой - с увеличениемобъемов сплавов, обладающих свойствами твердого раствора, в которомповышается диффузионная подвижность атомов за счет введения болеелегкоплавких компонентов.
С увеличением концентрации последних второймеханизм все более подавляет действие первого, и скорость ползучестиувеличивается.Для многокомпонентных сплавов ниобия с различным содержаниемлегирующих элементов и углерода термообработанных по различнымрежимам,такженаблюдаласьнемонотонностьзависимостискоростиползучести от указанных факторов. Так сплавы ниобия, закаленные стемператур 1750 °С и состаренные при 1100 °С (5 час) показали1100σ 100= 300 МПа .Подобный характер зависимостей скорости ползучести от режиматермической обработки, содержания легирующих элементов и углеродаопределялсявлияниемэтихфакторовнаструктурноесостояниедисперсионно-твердеющих сплавов, свойства которых сильно зависят отформы, количества, размеров, устойчивости и распределения дисперсныхчастиц.Анализ концентрационных зависимостей работы выхода электрона двойных(неактивированных) сплавов ниобия с молибденом, титаном и цирконием притемпературе испытания 1100 ˚С, показал что в структуре сплавов ненаблюдалось выделений вторых фаз, значения работы выхода определялисьстепенью легированности твердого раствора и носили линейный характер.Изменения работы выхода электрона многокомпонентных сплавов ниобияNb-Mo-Ti-Zr-Cвзависимостиоттемпературыиспытанияносилинемонотонный характер, который был связан с фазовыми и структурнымипревращениями в сплавах.При температурах 1000 - 1500 °С с α-твердым раствором сосуществовалаизбыточная фаза - карбид (Zr, Nb)С, имеющая ГЦК-решетку с периодамиа=0,454 - 0,456 нм, что соответствует содержанию в карбиде порядка 30-40%мол.
Zr. Работа выхода электрона в этом температурном интервалеопределялась легированным твердым раствором и наличием второй фазы, т.е.пятнистостью катода.При увеличении температуры испытания до 1550-1700 °С работа выходаэлектрона снижалась до 3,2-3,24 эВ, при этом по данным фазового анализапроходило растворение карбидов и цирконий переходил в твердый раствор.Поддействиемградиентаконцентрацийцирконийдиффундировалкповерхности катода и создавалась металлопленочная система, что иприводило к снижению значений работы выхода электрона.
При увеличениитемпературы выше 1700 °С скорость испарения атомов циркония с поверхностиниобия значительно превышала скорость диффузии из внутреннихобъемов и работа выхода увеличивалась до значений, характерных длялегированной матрицы.Стендовые испытания на ползучесть эмиттерных оболочек проводилисьна установке МГТУ им. Н.Э.
Баумана, описание которой приведено в главе 3.Цилиндрические образцы из малолегированных сплавов Nb-3%Ti, Nb-1%Zr0,1%C и предлагаемого многокомпонентного сплава Nb-15%Mo-3%Ti-1%Zr0,15%C были испытаны при температуре 1100 ˚С и напряжениях 6МПа,остаточное давление в рабочей камере составляло 5*10-2 Па.Анализполученныхрезультатовпоказал,чтонаибольшимсопротивлением пластической деформации обладал многокомпонентныйсплав,наименьшим-сплавNb-3%Ti,вкоторомвпроцессевысокотемпературной ползучести происходил интенсивный рост зерен,причем некоторые зерна достигали размеров, сравнимых с толщиной стенокцилиндра (∆=0,5 мм.).Исследования стенок цилиндра показали, что в катодах из сплава Nb-3%Tiпроисходило выгибание стенки цилиндра под действием внутриполостногодавления, соответственно уменьшался межэлектродный зазор и возникалавероятность короткого замыкания.
В катодах из сплава Nb-1Zr-0,1Cвнутриполостное давление привело к миграции менее упрочненных зерен иобразованию пор. Наименьшие структурные изменения наблюдались умногокомпонентного сплава системы Nb-Mo-Ti-Zr-C, что обеспечивалопостоянство геометрии катода и величины межэлектродного зазора болеедлительное время.Расчеты показали, что максимально допустимая величина прогиба (0,3 мм)оболочки катодов ТЭП у сплавов Nb-3Ti, Nb-1Zr-0,1C и Nb-15Mo-3Ti-1Zr0,15C через 3120, 4000 и 7200 час. соответственно.Таким образом, использование для эмиттеров ТЭП многокомпонентногосплава ниобия увеличивает ресурс работы.Проведенные исследования позволили выявить механизм работы иструктурные изменения в электродных материалах на основе ниобияв процессе их эксплуатации, основанные на классических положенияхтеории активированного катода Лэнгмюра, которые показывают, чтообеспечение устойчивой и надежной работы электродов связано стермическойстабильностьюструктурымассобалансаэмиссионно-активныхправильным,научнообоснованнымматериалаэлементов.выборомВсеипостоянствомэтоматериаладостигаетсяэлектрода,легирующих добавок и режимов термической обработки.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:1.Теоретически и экспериментально обоснован выбор основы илегирующих элементов путем анализа процессов, происходящих вэлектродах ТЭП и на их поверхности, работающих при 10001300°С.2.Предложенаиэкспериментальноподтвержденасхемаструктурных изменений электродов ТЭП, основанная на классическихположениях теории пленочного катода Лэнгмюра.3.На основании предложенной схемы сформулированы основныетребования к состоянию структуры и составу высокотемпературныхэлектродов.4.Сделан вывод, что выход электродов из строя связан спроцессами дестабилизации структуры за счет коагуляции илирастворения упрочняющих фаз, что изменяет соотношение скоростейдиффузии легирующих элементов из внутренних объемов материалови испарения их с поверхности электрода.5.Показано, что для электродов ТЭП, работающих в наземныхтранспортных системах при температурах до 1300°С, наиболееперспективным материалом являются сплавы ниобия с переходнымиметаллами и углеродом.6.Проведенысистематическиеисследованияпроцессовобразования и взаимодействия карбидов переходных металлов сниобием при высоких температурах.Получены7.данныеобосновныхнаправленияхреакцийобразования карбидов в зависимости от температуры и концентрациикомпонентовсплавовтермодинамическиеиустановленызакономерностинекоторыепротеканияобщиереакцийврассмотренных системах.Впервые8.выявленыконцентрационныезависимоститермоэмиссионных свойств двойных, тройных и более сложныхсистем сплавов ниобия с легирующими элементами в зависимости оттемпературы, химического состава в различных состояниях (литом,деформированном и отожженном).Установлено, что при определенных условиях (химический9.состав, температура испытания и режим активации) на поверхностиэлектродов образуется адсорбированный из внутренних объемов слойатомов легирующих элементов, снижающих работу выхода электрона.Концентрация атомов на поверхности электродов зависит от10.двух конкурирующих процессов: десорбции атомов покрытия за счетих испарения и диффузии атомов изнутри.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
