Сплав ниобия и вольфрама Nb521
Получение новых сплавов ниобия и вольфрама требует, прежде всего, выбора и контроля легирующих элементов. Добавление W, Mo, Zr, Ti и небольших количеств оксидов редкоземельных элементов в матрицу Nb позволяет этим элементам образовывать различные фазы твердого раствора и фазы дисперсионного упрочнения с ниобием, значительно улучшая механические свойства сплава при комнатной и высоких температурах. Добавление W и Mo, благодаря их высоким температурам плавления и атомным радиусам, близким к радиусам ниобия, легко образует твердые растворы замещения, улучшая высокотемпературную прочность и сопротивление ползучести ниобиевой матрицы. Добавление Zr при определенных температурах приводит к осаждению упрочняющей фазы, действующей как дисперсионное упрочнение, дополнительно повышая прочность матрицы. Ti обладает сильным сродством к кислороду; на воздухе или в кислородсодержащих средах на поверхности титана образуется плотная, прочно прилегающая и высокоинертная оксидная пленка, защищающая матрицу от коррозии. Добавление редкоземельных элементов улучшает адгезию между оксидной пленкой и матрицей, значительно повышая ее стойкость к окислению. Углерод легко образует упрочняющие фазы с цирконием и титаном; регулирование содержания углерода для увеличения количества упрочняющих фаз может дополнительно улучшить высокотемпературную прочность сплава.
Содержание углерода в составе сплава оказывает существенное влияние на его свойства; очевидно, что содержание углерода 850–1000 мг·л⁻¹ приводит к существенному улучшению механических свойств сплава. Поэтому при приготовлении сплава содержание углерода в слитке должно контролироваться в диапазоне 850–1000 мг·л⁻¹. На основе проведенного анализа был получен новый ниобий-вольфрамовый сплав Nb-W-Mo-Zr, Nb521, обладающий определенными высоко- и низкотемпературными механическими свойствами и термической прочностью. Для этого контролировались соотношения элементов Nb, W и Mo, добавлялись Zr, Ti и небольшое количество редкоземельных элементов, регулировалось содержание C, а спекание проводилось в электронно-лучевой печи. Его основными компонентами являются 5% W, 2% Mo, 1% Zr, остальное – Nb. Плавление в электронно-лучевой печи позволяет снизить содержание междоузельных примесей в сплаве и улучшить высокотемпературные характеристики сплава Nb521. Контролируя содержание азота (N) в исходных материалах, улучшая параметры процесса спекания, увеличивая время выдержки при высокой температуре и контролируя скорость электронно-лучевого плавления, удалось эффективно испарять и удалять некоторые междоузельные примеси (N, H и др.), обеспечивая присущую сплаву Nb521 высокотемпературную прочность и хорошую пластичность. Количественный анализ, сравнивающий содержание примесных элементов в сплаве Nb521 с содержанием примесных элементов в сплаве C103, показал, что содержание интерстициальных примесных элементов в сплаве Nb521 хорошо контролируется.
Комплексные свойства сплава зависят не только от его состава, но и в значительной степени от его микроструктуры, особенно от размера зерна. После определения состава сплава размер зерна оказывает особенно важное влияние на его свойства; измельчение зерен может улучшить общие характеристики сплава. Микроструктура слитка сплава Nb521 после растрескивания при ковке показана на рисунке 3(а). Микроструктура слитка в основном состоит из крупных равноосных зерен с относительно небольшой площадью границ зерен. На каждой границе зерна накапливается относительно большое количество вредных примесей, что приводит к более высокой прочности границ зерен и более низкой пластичности. Кроме того, для крупных равноосных зерен имеется относительно мало поверхностей деформационного скольжения, что приводит к низкой общей пластичности материала. В процессе ковки слитки сплава склонны к растрескиванию из-за неравномерной деформации, что иногда делает весь слиток непригодным для использования. Использование экструзии слитков большого диаметра и высокоскоростной обработки позволяет добиться тщательного разрушения зерен. Обработанный ниобий-вольфрамовый сплав после термообработки с рекристаллизационным отжигом полностью устраняет технологическую структуру, восстанавливая механические и физические свойства до состояния, предшествующего холодной деформации. Кроме того, измельчение зерен улучшает пластичность материала, облегчая последующую переработку. Слиток сплава, полученный путем чередования деформации и отжига, показан на рисунке 3(б). Видно, что изменение технологии обработки и термообработки в некоторой степени устраняет сегрегацию слитка, что приводит к разрушению зерен, однородной микроструктуре и уменьшению количества крупных зерен и хрупкого разрушения.
Было проведено дальнейшее сравнение высокотемпературных механических свойств нового ниобий-вольфрамового сплава Nb521 и ниобиевого сплава C103. В таблице Y обозначает твердое состояние, M — отожженное состояние, σb — предел прочности, σ0,2 — предел текучести, а δ — относительное удлинение. Как показано в таблице 3, высокотемпературные механические свойства и термическая прочность нового ниобий-вольфрамового сплава Nb521 значительно превосходят аналогичные показатели сплава C103. Его максимальная рабочая температура составляет 1600–1800℃, что на 200–4000℃ выше, чем у сплава C103. Его высокотемпературная прочность при 1600–1800℃ примерно в три раза выше, чем у сплава C103 при 1400℃. Получение нового ниобий-вольфрамового сплава Nb521 обеспечивает надежную гарантию замены сплава C103 в двигателях аэрокосмической техники и повышения их характеристик.
В настоящее время основными способами повышения стойкости тугоплавких металлов к высокотемпературному окислению в высокотемпературных аэробных средах являются легирование и нанесение поверхностных покрытий. Легирование может улучшить стойкость сплава к окислению. Да, но легирующие элементы должны превышать определенное критическое значение для защиты матрицы, что неизбежно влияет на другие свойства сплава, особенно вызывая снижение высокотемпературных механических свойств матрицы. Нанесение покрытия на поверхность сплава может защитить матрицу сплава от высокотемпературной коррозии или замедлить скорость коррозии без изменения состава матрицы сплава, тем самым максимально сохраняя высокотемпературные механические свойства сплава.
В данном исследовании в основном изучалось высокотемпературное окислительно-стойкое покрытие, полученное на основе нового ниобий-вольфрамового сплава Nb521. В настоящее время к высокотемпературным оксидостойким покрытиям на основе сплавов ниобия относятся в основном алюминидные покрытия, силицидные покрытия, покрытия из жаропрочных сплавов и покрытия из благородных металлов, среди которых наиболее широко используются силицидные покрытия. С расширением областей применения сплавов покрытия постоянно совершенствуются и модернизируются, и существует множество процессов получения высокотемпературных покрытий, но наиболее распространены три: плавление суспензии, химическое осаждение из паровой фазы и дуговое осаждение. В данном исследовании для получения высокоэффективного силицидного покрытия используется метод плавления суспензии.