4.2.7.2 Жароміцні сплави на основі важкотопких елементів

В останній час спостерігається безперервне зростання робочих температур деталей літальних апаратів різноманітного призначення. При таких температурах можуть працювати лише важкотопкі метали та їх сплави, а також важкотопкі хімічні сполуки [4].

До важкотопких відносять метали, що мають температуру плавлення вище 2000 °С. За комплексом властивостей та доступності для практичного використання важливе значення мають вольфрам, молібден, ніобій, тантал. В табл. 4.12 наведені основні фізичні та механічні властивості важкотопких металів.

Фізичні та механічні властивості важкотопких металів залежать від способу їх отримання та чистоти. Вольфрам та молібден окрихчуються навіть при незначному вмісті домішок. Особливо знижує характеристики пластичності та підвищує температуру переходу в крихкий стан кисень.

В технічно чистому молібдені при вмісті кисню 0,02 % температура переходу в крихкий стан складає 300 °С. При зменшенні вмісту кисню до 0,0001 молібден стає пластичним до -196 °С [7].

Таблиця 4.12 – Фізичні та механічні властивості важкотопких металів [7]

Властивості	Nb	Та	W	Мо
Температура, °С: плавлення кипіння	2468 4927	2996 5427	3400 5900	2622 5560
QV, кДж/моль	26,8	24,7	95,2	27,6
с при 20 °С, кДж/(кг·°С)	0,272	0,138	0,134	0,255
λ, Вт/(м·°С)	0,523	0,544	2,0	1,46
ρ при 20 °С, мкОм·см	14,5	13,1	5,3	5,3
α·106, °С -1, при 20 °С	7,0	6,6	4,5	5,2
ρ, г/см3	8,57	16,6	19,3	10,2

Тантал та ніобій вигідно відрізняються від вольфраму та молібдену високими показниками пластичності, технологічності, низькими температурами переходу в крихкий стан. Ніобій вакуумно-дугового виплавлення має температуру переходу в крихкий стан – 185 °С.

Внаслідок високої пластичності ніобій та тантал добре оброблюються тиском та зварюються аргоно-дуговим зварюванням або електроно-проміневим у вакуумі. Точкове зварювання листів товщиною менше 0,5 мм можна проводити на повітрі.

Тантал та ніобій використовуються в хімічному машинобудуванні, електроніці, вакуумній техніці, металургії та інших галузях. Виключно висока хімічна стійкість в агресивних середовищах дозволяє використовувати тантал та ніобій для виготовлення кислотостійкої апаратури.

Загальним недоліком важкотопких металів є низька жаростійкість, що виключає можливість використання їх як жароміцних матеріалів без спеціальних захисних покриттів. Важкотопкі метали та сплави швидко окислюються на повітрі вже при температурах вище 700 °С. Найкращим способом підвищення опору окисленню є легування або покриття, найбільш перспективними з яких є силіціювання. На поверхні виробу утворюється шар (до 0,04 мм), наприклад, дисиліциду молібдену, що характеризується високою жаростійкістю до 1700 °С. Успішно як жароміцні матеріали тугоплавкі метали можуть працювати у вакуумі або в атмосфері інертних газів. При легуванні важкотопких металів жароміцність ніобію та танталу зростає, а технологічні властивості молібдену та вольфраму покращуються.

Основні види продукції у вигляді напівфабрикату регламентовані технічними умовами, у відповідності з якими виробляють смуги, пластини, труби, фольгу та ін. [7].

Для виготовлення деталей, що працюють при температурах до 1400 °С, можна використовувати молібден, ніобій та їх сплави. При більш високих температурах можуть працювати лише вольфрам та тантал, що мають найвищу температуру плавлення (рис. 4.12) [4].

Рисунок 4.12 – Вплив температури випробування на міцність важкотопких металів [4]

Найбільш досліджені жароміцні та порівняно технологічні ніобієві сплави, що призначені для роботи при 1100…1300 °С. Жароміцні танталові сплави можуть використовуватися при 1300…1500 °С, однак вони більш дефіцитні та коштовні через підвищену вартість танталу.

Серед важкотопких металів VIA групи найбільша увага приділяється молібдену. Метали цієї групи призначені для роботи при температурах 1250…1450 °С. Сплави на основі вольфраму як жароміцні конструкційні матеріали можуть працювати вище 1650 °С.

Сплави на основі вольфраму. Нелегований вольфрам володіє недостатньою технологічною пластичністю та має високу температуру переходу з в’язкого стану в крихкий. Розробка жароміцних сплавів вольфраму має за мету підвищити технологічну та низькотемпературну пластичність, а також його жароміцність.

Найбільш повно досліджені сплави вольфраму з молібденом. Молібден подрібнює зерно вольфраму вже при його вмісті близько 2 %. Збільшення вмісту молібдену до 15…20 % підвищує жароміцність сплавів при 1500…1700 °С. Помітно зростають характеристики жароміцності вольфраму при додаванні 2…3 % Ni або Та. Високоміцний деформівний сплав ВВ-2 системи ніобій – вольфрам рекомендований для роботи при температурах вище 1700 °С. Границя тривалої міцності цього сплаву при температурі 1500 °С і тривалості 50, 100 та 500 год складає відповідно 70, 60 та 50 МПа. Границя міцності при 1650 °С становить 350 МПа, а при 1925 °С – 120 МПа.

Легування ренієм поряд зі збільшенням жароміцності суттєво знижує температуру переходу в крихкий стан, підвищує технологічну пластичність вольфраму.

Перспективними є сплави вольфраму із домішками цирконію, гафнію, ніобію, бору та вуглецю. Міцність цих сплавів при 1699 °С в 3..5 разів перевищує міцність нелегованого вольфраму та сягає 548МПа, при 2482 °С – 148 МПа, а при 2760 °С – 46 МПа.

Сплави на основі молібдену. Розробка жароміцних сплавів молібдену має за мету покращення характеристик жароміцності, а також підвищення низькотемпературної та технологічної пластичності. В більшості випадків, за виключенням сплавів, що леговані ренієм, збільшення вмісту легувальних елементів (таких, як вольфрам, вуглець тощо), що підвищують жароміцність, призводить до помітного зниження характеристик пластичності.

Жароміцні сплави на основі молібдену можуть бути поділені на три основні групи:

• низьковуглецеві низьколеговані сплави молібдену – це сплави із вмістом вуглецю 0,004…0,05 %, титану або цирконію в межах 0,07…0,5 %. До цієї групи відносяться сплави Мо-0,5Ті (0,5 % Ті; 0,02…0,05 % С), ТZМ (0,5 % Ті; 0,1…0,08 % Zr; 0,02…0,015 % С), ЦМ-2А (0,07…0,3 % Ті; 0,07…0,15 % Zr; 0,004 % С), ВМ-1 (до 0,4 % Ті; 0,08…0,25 % Zr; ≤0,01 % С; до 0,6 % Nb), та ВМ-2 (до 0,2 % Ті; 0,25…0,40 % Zr; 0,02 % С; до 0,2 % Nb). Ці сплави характеризуються добрими технологічними властивостями: з них виготовляють стрічки, смуги та ін. напівфабрикати;

• високовуглецеві низьколеговані сплави молібдену TZC та ВМ-3 (0,8…1,3 % Ті; 0,3…0,6 % Zr; 0,25…0,5 % С; 1,0…1,5 % Nb). В порівнянні зі сплавами першої групи в них збільшений вміст вуглецю до 0,25…0,5 %, титану та цирконію (до 0,5 %); та вони є більш жароміцними. Зміцнення досягається в основному завдяки процесам карбідоутворення. Використання високовуглецевих сплавів ускладнюється їх поганою технологічністю, високою температурою переходу в крихкий стан;

• високолеговані молібденові сплави мають високі жароміцні властивості та тривалий час працюють при температурах до 2000 °С. Сплави з 25…50 % W можуть експлуатуватися при температурах 1500…2500 °С. Добрим поєднанням міцності та технологічних властивостей володіє сплав МР-47ВП (47 % Re). Цей сплав випускається за технічними умовами у вигляді дроту, стрічки, смуги. Поріг крихкості сплаву МР-47ВП нижче –247 °С.

Сплави на основі ніобію. Чистий ніобій, що володіє високою пластичністю та технологічністю, має обмежену жароміцність. Стогодинна границя тривалої міцності при температурах 1100 та 1200 °С складає відповідно 50 та 30 МПа. Легування суттєво збільшує жароміцні властивості, але при цьому знижуються характеристики пластичності та технологічності.

Основою високожароміцних сплавів є системи Nb-Мо, Nb-W-Мо при вмісті 10…20 % W та Мо. Вказана основа додатково легована цирконієм або гафнієм. Жароміцні та окалиностійкі сплави створюють на основі системи Nb-W-Ті або Nb-Мо-Ті при вмісті до 20 % Ті. Третя група сплавів з помірно жароміцними та достатньо технологічними властивостями – низьколеговані ніобієві сплави. Вони містять 1…7 % Zr або титан. Прикладами промислових ніобієвих сплавів є ВН-2 (3,8…5,2 % Мо; ≤0,05 % С), ВН-2А (3,5…4,7 % Мо; 0,5…0,9 %Zr; ≤0,08 %С), ВН-3 (4…5,2 % Мо; 0,8…2 % Zr; ≤0,08-0,16 % С), ВН-4 (8,5…10,5 % Мо; 1…2 % Zr; ≤0,25-0,40 % С), РН-6 (4,5…6 % Мо; 4,5…6 % W; 1…1,5 % Zr), F-48 (15 % W, 5 % Mo; 1 % Zr; 0,1 % C), D-43 (10 % W; 1 % Zr; 0,1 % C), D-31 (10 % Mo; 10 % Ti; 0,1 % C), F-50 (15 % W; 5 % Mo; 1 % Zr; 5 % Тi; 0,05 % C).

Сплави на основі танталу через його дефіцитність знаходять використання в галузях, де не можна використати інші матеріали. Це перш за все електронна промисловість, медицина та хімічна промисловість. Виробляють сплави танталу із вмістом вольфраму 4…21 %. Відомості щодо жароміцності танталових сплавів дуже обмежені [7].