Недоліки технології гарячого спікання вольгіюамово-мідного псевдосплаву

Незважаючи иа високу якість виробів, отримуваних із порошків шляхом гарячого спікання, необхідно, однак, звернути увагу на ряд недоліків останнього:

а) утворення карбідового шару на поверхні заготовки;

б) необхідність частої заміни графітової прес-форми;

в) висока вартість виробів.

Але все ж таки слід зауважити, що таку відповідальну деталь, як тонкостінне облицювання вкладиша критичного перерізу сопла маршового РДТП, можна виготовити лише з використанням технології гарячого пресування порошків.

Псєвдо сплав ВНЛС-1

У деяких твердопаливних ракетах на маршових двигунах застосовується система керування вектором тяги за рахунок вдування в закритичну частину сопла гарячого газу, який відбирається з основної камери згоряння. Подібні системи застосовувались і раніше, але зі вдуванням «холодного» газу з інших джерел. У закритичну частину центрального сопла вдувається гарячий газ крізь спеціальні клапани, робота яких регулюється системою керування. Усього в цьому соплі встановлено 8 клапанів, у кожному з котрих є по 5 деталей. Оскільки температура газу становить близько 3 600 К, для них також застосований вольфрамово-мідний псевдосплав, тобто й тут має місце транспіраційне охолодження. Розміри деталей клапана невеликі порівняно з облицюванням вкладиша критичного перерізу (~ 150 мм), вони більш стійкі, й до того ж иа один двигун їх має бути виготовлено більш як 40 штук.

Для виготовлення елементів клапана вдування було застосовано метод холодного пресування порошків з подальшим спіканням. Спочатку отримують пористий вольфрамовий каркас, який потім просочують розплавленою міддю. З метою зниження температури спікання вольфрамового порошку вводять активатор спікання порошок нікелю в кількості 0,1 %, або 100 г на 100 кг вольфрамового порошку. При цьому температура спікання знижується з 2100 К до 1850 К.

Технологія отримання BHJ1C

1. Як і у випадку з лвмг, проводять такий само хімічний та інші аналізи порошків.

2. Підготовка шихти. Оскільки до 100 кг вольфрамового порошку додається лише 100 г нікелевого, питання щодо рівномірного розподілу останнього по всій масі суміші дуже важливе. У зв'язку з цим змішування компонентів здійснюється в два етапи.

Спочатку беруть наважку із розрахунку на 10 кг вольфрамового порошку 100 г нікелевого. Цю порцію змішують у змішувачі типу «п'яна бочка» упродовж 10... 16 год., після чого до цієї суміші додають 90 кг вольфрамового порошку, що залишився, й знову розмішують протягом 20 год. Проводять контроль порошку на рівномірність розподілу нікелю.

3. Гідростатичне пресування. Шихту засипають в еластичні оболонки з гуми або тонкої жерсті. Якшо заготівка пустотіла, то в оболонку вставляють центральне тіло - болванку (рис. 2.20). Як гумова, так і металева оболонка повинні бути герметично заварені або запаяні. Потім герметичні оболонки з порошком поміщають у гідростат, заповнений звичайною водою з хромпіком (інгібітор).

Гідростат являє собою товстостінну чи багатошарову сталеву циліндричну посудину. Протягом 20...25 хв. його заповнюють водою й доводять тиск до 100... 120 МПа. При цьому тискові порошок витримують протягом ЗО хв., після чого тиск скидають і воду перекачують в іншу посудину. Оболонки розрізають й знімають. Заготівки після такого пресування дуже міцні й зовні здаються вже готовими.

4. Спікання порошку. Спікання проводять в індукційній печі заповненій воднем, і як і в разі пресування беруть одразу декілька заготівок (рис. 2.21).

Режим спікання:

а) піднімання температури до I 250...1 300 К протягом 120...180 хв.;

б) витримування за даної температури 60... 120 хв.;

в) підвищення температури до 1 800... 1 850 К протягом 120 хв.;

і) витримування при зазначеній температурі 120 хв.;

д) поступове зниження потужності електроживлення;

є) охолодження при ввімкненому електроживленні до 600 К у середовищі водню (далі можна охолоджувати без водню, але в закритій печі).

Рис. 2.20. Завантажувальний пристрій для гідростатичного пресування: 1 - гумова або металева оболонка; 2 - порошок;

З - центральне тіло

Слід зауважити, що режим спікання залежить від активності порошку, отже від його партії, підприємства-постачальниката часу зберігання.

Постачальниками порошку в СНД є міста Ташкент, Нальчик, Скопіно, Владикавказ. Порошки мали відповідне маркування: ПВТ (порошок вольфрамовий, постачальник м. Ташкент), ПВИ (м. Нальчик) і т. ін. Кожна партія порошку, що постачається, має сертифікат, де зазначені основні дані (форма й розмір зернини, хімічний склад, насипна вага тощо).

Рис. 2.21. Схема печі: 1 - сталева оболонка; 2 - індуктор;

З - графітовий нагрівач; 4 - спікувані заготівки;

5 - подавання водню; 6 - електроконтакти;

7. - подавання охолоджуючої води; 8 - електрогенератор;

9. - вихід Н₂ і СО

5. Попередня механічна обробка. Здійснюється із застосуванням твердосплавних різців типу ВК-6 по внутрішній та зовнішній поверхнях.

6. Контроль густини. Проводиться на зразках з припусків шляхом гідростатичного зважування:

Р Р ^Р V P-P_t

де Р - маса зразка на повітрі; Р₍ - маса зразка, зануреного у воду; р - густина; V = Р - Рі - об'єм зразка.

Оскільки матеріал пористий, перед гідростатичним зважуванням поверхню зразка покривають тонким шаром мастила ЦИАТИМ. Середня густина пористої заготівки має дорівнювати 15 000... 14 800 кг/м³.

Дуже важливою характеристикою матеріалу й заготівки в цілому є різногустина за об'ємом, оскільки вона впливає на термостійкість клапана. Випадки руйнування клапанів через велику відмінність за густиною спостерігались при стендовому відпрацюванні двигуна.

Відмінність густини по об’єму циліндричної заготівки заслінки клапана перевіряється радіаційним методом з використанням радіоактивних ізотопів. Це викликано двома обставинами:

По-перше, вольфрам належить до елементів з великою молекулярною масою та великим порядковим номером у таблиці Менделєєва (Z = 74). Відомо, що ефективний поперечний переріз взаємодії (поглинання) жорсткого рентгенівського та гамма-випромінювання залежить від порядкового номера елемента:

а — для середніх енергій;

є

а ~ для низьких енергій,

Є

де Z - порядковий номер елемента; є - енергія кванта.

В існуючих рентгенівських установках енергія квантів не перевищує 400 КеВ.

По-друге, потік випромінювання рентгенівських установок не є монохроматичним, що дуже важливо при вимірюванні густини й різниці за густиною. З Цієї ж причини неможливо застосувати бетатрони із вторинним випромінюванням гамма-квантів, хоч вони й можуть мати дуже високі енергії й використовуються при дефектоскопії.

Для конкретних заготівок був використаний радіоактивний іридій (є ~ 1,7 еВ) в якості випромінювача енергії. Приймачами служили сцинтиляційні датчики з фотоелектронними помножувачами.

Схему контролю подано на рис. 2.22.

При контролі заготівка рухається праворуч - ліворуч і повертається по осі. Процес контролю повністю автоматизований. Допустима відмінність за густиною повинна бути < 0,6 г/см³ (600 кг/м³) при заданій густині. Відмінність за густиною вздовж стінки заготівки перевіряється за допомогою УЗК у тіньовому варіанті (рис. 2.23).

	V/ШШ/Л
		■«W г
		&

Рис. 222. Схема контролю: 1 - заготівка; 2 - ампула з іридієм-193; З - сцинтиляційний датчик з ФЕУ

ЙҐ

ш

Ж

'А

-

W

Рис. 2.23. УЗК: 1 - джерело ультразвуку; 2 - заготівка; 3 - приймач (датчик)

Вдаючись до УЗК, перевіряють й інші деталі клапана (сідло, облицювання) тощо.

У створенні композиційних матеріалів методом просочування найважливішу роль відіграє явище змочування твердих тіл рідиною і розтікання рідини по поверхні твердих тіл. Розрізняють імерсійне та контактне змочування. Перше відбувається при повному зануренні твердого тіла в рідину, коли наявна межа розділу лише твердої й рідкої фази. При контактному змочуванні мають місце три фази: тверда, рідка й газоподібна.

У підручниках з фізики та молекулярної фізики детально розглянуто питання щодо змочування. Якщо рідина змочує тверде тіло, то в порах останнього виникає капілярний тиск, який сприяє просочуванню.

Для поліпшення й прискорення процесу просочування використовується явище термоосмосу, при якому рідина тече з більш нагрітих місць до холодніших, а також ультразвук, для провідних рідин - й електричне поле. При просочуванні вольфрамового каркаса рідкою міддю вдаються до спонтанного просочування (вільного).

У залежності від технології отримання й природи використовуваних матеріалів псевдосплави, отримані методом просочування, можуть мати каркасну або матричну структуру. Якщо пористий каркас, отриманий методом порошкової металургії, потім просочується розплавом більш легкоплавкого металу, котрий ие утворює хімічних з'єднань, то утворюється каркасна структура, яку схематично можна подати у вигляді двох взаємопрониклих каркасів. До таких каркасних структур можна віднести вольфрамово-мідиі й вольфрамово-срібні псевдосплави.

Таким чином, використання методу просочування в порошковий металургії пов'язане з низкою обмежень, основними з яких є:

• температури плавлення складових повинні суттєво відрізнятися між собою;

• взаємна розчинність має бути мінімальною, а взаємодія фаз не повинна призводити до зниження експлуатаційних характеристик КМ;

• легкоплавка складова повинна змочувати тугоплавку.

Відносно пари W - Си ці вимоги виконуються.

Просочування при отриманні сплаву ВНДС полягає в такому:

а) куски міді або стружку знежирюють й сушать;

б) пористу заготівку та мідь поміщають до графітової чаші й нагрівають до температури 1 475 К протягом 1 ...2 годин у закритій камері, в якій створюється воднева атмосфера. За температури 1 475 К проводиться витримування протягом 2 годин. Потім температуру піднімають до 1 575 К і за цих умов каркас з рідкою міддю витримують ще протягом ЗО хвилин. Охолодження здійснюється в контрольованій атмосфері з вимкненою піччю (індуктором). Дозволена кількість просочувань - три.

Густина й різногустина просочених заготівок контролюється гідростатичним зважуванням і УЗК. Коефіцієнт просочування має бути більшим за 80 %.

Після просочування проводять кінцеву механічну обробку й доводять деталей до належної форми та розмірів. Оброблена поверхня піддається люмінесцентному контролю (табл. 2.7). Категорично заборонене полірування деталей, бо при цьому приховуються дефекти у вигляді тріщин.

П

К= —-100%. р

теор

Визначення внутрішніх дефектів також проводиться методом УЗК з настроюванням на еталонний дефект діаметром 1,5 мм; інодідіаметром 2 мм (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Еталонний зразок: 1 - ультразвуковий перетворювач з приймачем;

2 - стінка заготівки; 3 - еталонний дефект (Ж 1,5...2 мм, h= 10 мм)

ісля люмінесцентного контролю проводиться ультразвуковий - по висоті заготівки в тіньовому варіанті. Амплітуда сигналу при цьому повинна дорівнювати половині амплітуди сигналу від еталонного зразка або бути меншою за неї (А < 1/2 А_ет). У разі проведення четвертого просочування, що дозволяється у виключних випадках, амплітуда повинна дорівнювати нулю.

У табл. 2.8 наведені пружні характеристики псевдосплаву ВНДС-1. Як свідчать дані таблиці, матеріал ВНДС добре зберігає зазначені характеристики за високих температур. Це дає право стверджувати, що вольфрам може застосовуватись і в разі тривалої експлуатації, наприклад у високотемпературних ядерних реакторах. Тут він може служити в якості плакуючого шару TBEJI-ів на основі карбіду урану та карбіду цирконію UC - ZrC, призначеного для підвищення міцності, зменшення розпухання й випаровування.

Крім розглянутих методів пресування вольфрамових порошків на прикладі АВМГ (гаряче пресування) і ВНДС (холодне пресування), можна застосовувати ізостатичне пресування. У шведських ізостатах внутрішній тиск досягає 600 МПа, температура спікання 1625... 1675 К. Безумовно, ця технологія, зважаючи на економічність, с менш ефективною, хоча й іабезпечує високий технічний ефект.

Необхідно зауважити, що вольфрамовим сплавам властивий крихкий характер руйнування і тільки в інтервалі 800... 1 300 К - крихко-в'язкий, а при

2. 300 К відбувається в'язке руйнування з невеликим відносним подовженням. Окрім крихкості, вольфрамові сплави вирізняються недостатньою і ермостійкістю. У зв'язку з цим для виробів з великою швидкістю теплового імнантажування існують критичні розміри, котрі підбираються

експериментально або розраховуються. Важливу роль у цьому відіграє форма деталі: по можливості слід уникати гострих кутів, різких переходів і відмінностей за товщиною.

Таблиця 2.7. Види люмінесцентного контролю

Метод	Марка індика­ торної рідини	Марка проявника	Обробка деталі рідиною	Рівень чутливості, ширина тріщини, мкм	Мінімальна глибина тріщини, мкм
ЛЮМ-1	Лж-6А	Пр-1	Занурення у ванну без УЗК	Високий 0,8... 1	0,02
ЛЮМ-1	Лж-ба	Пр-1	В УЗК-ванні	Вищий 0,5	0,02
ЛЮМ-2	Н	Пр-3, Пр-4	Занурення у ванну або нанесення щіткою без УЗК	Знижений 5...6	0,02
ЛЮМ-2	Н	Пр-3, Пр-4	В УЗК-ванні	Середній 2...3	0,02
ЛЮМ-3	М-к	П	Занурення у ванну без УЗК або нанесення щіткою	Знижений 10,0	0,03

Таблиця 2.8. Характеристики пружності псевдосплаву ВНДС-1

Т,К	Характеристики
	Е МПа	U
2	3,00	4,000
293	3,05	0,215
373	3,00	0,220
473	2,99	0,217
773	2,82	0,232
1273	2,39	0,135
1473	2,32	0,130
1773	2,27
2025	2,23

Примітка. Т - температура; Е - модуль пружності, ц - коефіцієнт Пуассона

Оскільки деталі зі сплаву ВІІДС працюють при температурах, вищих за 3 500 К, механічні випробування зразків на розтяг здійснюються в інтервалі температур від кімнатної до 3 275 К. Крім того, від партії найбільш напружених деталей, так званих заслінок клапана, випробовуються готові деталі при температурах до 2 475 К. Усі випробовування проводяться у

вакуумних камерах із застосуванням спеціальних пристроїв. Зберігаються готові деталі у поліетиленовій упаковці з силікагелем. Маркування: «Обережно - скло!», «Боїться вологості!» або малюнок: келих і парасолька [9,44,45,48].