Кинетика окисления ниобия, тантала и сплавов на их основе

Возможность применения ниобия и тантала в качестве компонента сверхвысокотемпературных композиционных материалов определяется не только их физико-механическими свойствами. Большое значение имеет скорость окисления при высоких температурах, особенно для листовых материалов, поскольку металл может окислиться по всему сечению. К настоящему времени разработаны легированные сплавы на основе ниобия или тантала, сопротивление окислению которых в 50 раз выше сопротивления окислению нелегированных сплавов. Ho для длительной эксплуатации и легированных сплавов на основе ниобия или тантала при высоких и сверхвысоких температурах необходима более эффективная защита от окисления.

Одним из эффективных решений этой проблемы можно считать формирование жаростойких покрытий на поверхности тугоплавких металлов, т.е. создание листовых тугоплавких металлов с жаростойкими покрытиями (получение композиционного материала).

Для обоснования необходимости защиты ниобия и тантала от окисления рассмотрим взаимодействие ниобия и тантала с кислородсодержащими средами.



Реакция взаимодействия ниобия с кислородом изучена в широком интервале давлений от 1,33 Па до 4,04 МПа и температур 250—1200 °С. Показано, что в области низких температур t < 380 °С на поверхности ниобия образуется оксидная пленка и скорость реакции ее образования подчиняется параболическому закону. При температуре выше 550 °С скорость реакции образования оксидной пленки на поверхности ниобия подчиняется линейному закону.

Температурная зависимость скорости окисления vок ниобия при давлении кислорода, равном 0,01—0,1 МПа, приведена на рис. 16.7.

Отмечено резкое возрастание скорости окисления ниобия при 550 °С и снижение ее в интервале температур 600—650 °С. Повышение до 800 °С и более высоких температур сопровождается дальнейшим возрастанием скорости окисления ниобия. Полученные температурные зависимости скорости окисления ниобия в кислороде связывают с скоростями окисления по различным кристаллографическим плоскостям ниобия. Однако интенсивность протекания процессов взаимодействия ниобия с кислородом при высоких температурах исключает возможность эксплуатации элементов конструкций, изготовленных из ниобия при высоких и сверхвысоких температурах без защитных покрытий.

Реакцию взаимодействия ниобия с воздухом следует рассматривать как эквивалентную реакцию окисления ниобия при более низком давлении кислорода (рис. 16.8).

В области высоких температур (t больше 1200 °С) скорость реакции окисления Nb до Nb2O5 линейна и уменьшается после образования Nb2O5 на поверхности ниобия. Последнее также свидетельствует о необходимости защиты ниобия и его сплавов покрытиями на его поверхности.



Изучение кинетики окисления тантала при высоких температурах (до 1400 °С) и давлениях от 0,1 до 4,08 МПа показало, что даже при низких давлениях кислорода (0,1 МПа) и температуре 1300 °С тантал окисляется с большой скоростью. В интервале температур 550—650 °C и давлениях кислорода до 1,36 МПа скорость окисления тантала максимальна при 650 °C (рис. 16.9). После некоторого снижения скорости окисления тантала в интервале температур 650—800 °С отмечено интенсивное ее повышение при температурах, превышающих 1000 °С.

Кинетику взаимодействия тантала с воздухом по аналогии с кинетикой окисления ниобия можно рассматривать как процесс окисления тантала при меньшем давлении кислорода. Константа линейной скорости окисления тантала на воздухе увеличивается с ростом температуры, но в целом меньше по сравнению с константой скорости окисления тантала в кислороде.

В работе было показано, что в отличие от реакции окисления тантала в контакте с кислородом катастрофического окисления тантала на воздухе при температурах до 1400 °С не наблюдается. Тем не менее эксплуатация при высоких и сверхвысоких температурах в кислородсодержащих средах элементов конструкции систем, изготовленных из тантала и его сплавов без защитных покрытий, невозможна.