Ниобиевые сплавы » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Ниобиевые сплавы

24.06.2021

Двойные сплавы


В работе приведены результаты исследований, свидетельствующие об интенсивной окисляемости тугоплавких металлов. Одновременно показано влияние легирования на сопротивление окислению сплавов на основе тугоплавких металлов.

Так, например, введение небольших добавок алюминия (менее 10 %) в ниобий сопровождается некоторым увеличением сопротивления окислению ниобия при температурах 800—1000 °С. Очевидно предположение о том, что алюминий, растворяясь в Nb2O5, в виде иона Al3+ далее взаимодействует с кислородом воздуха, образуя термодинамически прочный оксид Al2O3 на поверхности сплава системы Nb-Al. Повышение содержания алюминия и ниобии до 20 % приводит к сильному повышению сопротивления окислению при 1000 °C у ниобия — 4,5 мг/(см2*ч). Повышение сопротивления окислению в системе Nb-Al можно объяснить образованием в системе Al2O3 Nb2O5 интерметаллического соединения, отвечающего по составу 20 % алюминия.

При введении в ниобий малых добавок бериллия, не превышающих 5 ат. %, скорость окисления ниобия при 1000 °С составляет 18 мг/(см2*ч). Этот эффект связывают c образованием на поверхности сплава рутила или колумбита, состоящего из BeO и Nb2O5.

Легирование ниобия хромом в небольших количествах сопровождается повышением жаростойкости сплава при температурах 600-800 °С. Сопротивление окислению ниобиевых сплавов с малыми добавками хрома объясняют стабилизирующим его действием на Nb2O5, При введении в ниобий хрома в количестве 20 ат. % скорость окисления ниобиевого сплава составляет всего 0,1 при 600 °С и 0,4 мг/(см2*ч) при 800 °C.

Повышение жаростойкости ниобия, содержащего 7,7 и 35 % железа, сопровождается повышением сопротивления ниобия окислению при 1000 °С. Особенно эффективно влияние повышенного содержания железа (35 ат. %) на сопротивление окислению ниобия в чистом кислороде. При повышении температуры до 1200 °С оксидная пленка на сплаве ниобия, содержащего 7,7 % железа, отслаивается, что связано с образованием на поверхности сплава рутилоколумбитовой фазы Nb2O5-Fe2O3 при содержании железа, равном 10 %.

Обсуждение влияния молибдена на окисляемость ниобия носит противоречивый характер. Так, например, введение в ниобий небольших количеств молибдена (менее 10 %) повышает сопротивление окислению ниобия на воздухе при температурах до 1200 °С. Повышение стойкости к окислению сплава системы Nb-Mo объясняется протеканием процессов спекания в сплаве легкоплавкой трехокиси MoO3 (температура плавления MoO3 равна 1068 К).

Влияние никеля на скорость окисления ниобия следует рассматривать для температур, при которых эффект легирования ниобия никелем является положительным. Одновременно значительное снижение скорости окисления ниобия (в десять раз по сравнению с нелегированным ниобием) при 800 °C наблюдается при достаточно большом введении никеля [до 28,8 %] в ниобий.

Целесообразность такого содержания никеля в ниобии следует рассматривать с учетом возможности сохранения сплавом эксплуатационных характеристик при заданных температурах.

Введение в ниобий 20 % тантала сопровождается значительным снижением (в десять раз по сравнению с нелегированным ниобием) скорости окисления сплава при 1100 °С.

Легирование ниобия титаном сопровождается повышением сопротивления окислению сплава системы ниобий — титан. Этот эффект наблюдается при температуре 1200 °С в широком диапазоне концентраций титана (от 1 до 35 %), вводимого в ниобий.

Вольфрам следует считать эффективной добавкой к ниобию, способствующей значительному снижению скорости окисления ниобиевого сплава (повышение сопротивления окислению в 12 раз по сравнению с нелегированным ниобием при 1100 °С). Этот эффект в несколько меньшей степени сохраняется и при 1200 °C.

Цирконий, аналогично титану, эффективно влияет на уменьшение скорости окисления ниобиевого сплава, содержащего 20 и 35 % Zr. Скорость окисления сплава на основе ниобия, содержащего 20 % Zr, при 800 °C не превышает 5 мг/см2*ч), а при 35 % Zr составляет менее 2 мг/(см2*ч). Эффективность влияния циркония на снижение скорости окисления ниобиевых сплавов при указанных выше температурах связывают с образованием на поверхности сплава оксидов ZrO2-Nb2O5.

Тройные сплавы


Сплавы системы Nb-Al-Cr характеризуются высоким сопротивлением окислению на воздухе при 1000 °С. Так, например, скорость окисления сплава состава 65Nb-10Al-Cr при указанной выше температуре в 500 раз меньше, чем нелегированного ниобия. Оксидная пленка на этих сплавах в основном состоит из Al2O3 и небольшого количества Nb2O5, она прочно совмещается с основой сплава и не отслаивается. Скорость окисления этого сплава при 1200 °С равна 0,26 мг/(см2*ч).

Сплавы системы Nb-Cr-Co также характеризуются сильным сопротивлением окислению на воздухе при высоких температурах. Оптимальным следует считать сплав состава 25Сr—(5/30)Со—Nb. При температуре 1100 °С привес сплава за 200 ч эксплуатации составляет 0,55 мг/(см2*ч). На поверхности сплава образуется плотная пленка, представляющая собой шпинель CoCr2O4.

Анализируя влияние легирующих элементов на скорость окисления ниобиевых сплавов можно сделать вывод о том, что введение алюминия в тройные алюминиевые сплавы в концентрациях, не превышающих 12 %, во всех случаях способствует значительному повышению сопротивления окислению, поскольку при окислении таких сплавов на их поверхности образуется термодинамически прочный оксид алюминия Al2O3, термодинамические свойства которого: tпл = 2000 °С; -AZ = 450 кДж/моль при 700 °С и -AZ = 350 кДж/моль при 1700 °С. Оксид алюминия — один из наиболее термодинамически стабильных оксидов, можно рассматривать как эффективную структурную составляющую защитных покрытий на поверхности сплавов на основе тугоплавких металлов.

Сплавы системы Nb-V-Cr, Nb-W-Mo характеризуются умеренным сопротивлением окислению на воздухе. Лучшие из них сплавы составов: 15 Mo-15W-Nb и 5Мо-15Сr-Nb, для которых скорость окисления на воздухе равна соответственно 44 при 1100 °С и 0,397 мг/(см2*ч) при 1000 °С.

Все высокопрочные сплавы на основе ниобия содержат до 20—28 мас. % W и до 7—10 мае. % Ti и характеризуются высоким сопротивлением окислению. Сплав состава 10Ti-20W-3V-Nb характеризуется следующими показателями: привес сплава 4,78 при 1000 °С и 3,47 мг/(см2*ч) при 1200 °С.

Сплав состава 7Ti-28W-Nb характеризуется следующими показателями: привес сплава 1,18 при 1000 °С и 2,08 мг/(см2*ч) при 1200 °С.

Анализируя результаты по изучению окисляемости сплавов на основе ниобия, можно сделать вывод о том, что все ниобиевые сплавы, рассматриваемые в качестве матричных при создании сверхвысокотемпературных композиционных материалов, могут найти промышленное применение при условии нанесения на их поверхность защитных покрытий, которые обеспечат возможность их применения при высоких и сверхвысоких температурах.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: