Танталовые сплавы

Рассматривая двойные танталовые сплавы в качестве матричных при создании сверхвысокотемпературных материалов, следует учитывать их сопротивление окислению при эксплуатационных температурах. В отличие от ниобиевых сплавов сопротивление окислению танталовых сплавов изучено в меньшей степени. Так, например, введение в основу добавок металлов VA группы (V, Nb) сопровождается умеренным повышением сопротивления окислению тантала. Скорость окисления на воздухе сплавов системы Ta-Nb при температуре 1100 °С составила 18,0 для сплава 50Та-Nb и 36,0 мг/(см2*ч) для 80Та-Nb.

Сравнивая экспериментальные данные по скорости окисления для сплава 99Та-Nb 25 и для сплава 60Та—Nb 27 мгДсм2*с), следует признать, что сопротивление скорости окисления при 1200 °C сплавов на основе тантала изменяется незначительно при введении в основу ниобия.

Легирование тантала металлами VIA группы (Cr, Mo, W) также не приводит к значительному повышению сопротивления окислению сплавов на основе тантала.

Поданным работ минимальная скорость окисления сплавов системы Ta-Cr получена для сплава, аналогичного по составу соединению Ta2Cr3, и составляет величину 49,3 мг/(см2*ч) при 1200 °С. Повышение содержания в тантале вольфрама в интервале концентрации 4,9—31,5 мас. % не сопровождается значительными изменениями скорости окисления сплавов рассмотренных составов, при 1200 °С она равна соответственно 57,4—59,0 мг/(см2*ч).

Скорость окисления сплавов системы Ta-Ti незначительно отличается от приведенных скоростей для рассмотренных ранее систем и при 1000 °С для сплава состава 16,7Ti—Ta составляет 20,3, а для сплава 29,6Ti-Ta — 36,1 мг/(см2*ч) при 1200 °С.

Анализируя рассмотренные и другие экспериментальные данные, в которых обсуждается эффективность влияния легирующих элементов IVA, VA и VLA групп на сопротивление окислению танталовых сплавов на воздухе, можно сделать вывод о том, что при введении в тантал металлов IVA, VIA групп ионы добавляемых элементов растворяются в Ta2O5, оказывая тем самым стабилизирующее влияние на оксидную пленку Ta2O5 с учетом размерного эффекта и эффекта валентности. Введение в тантал вольфрама, молибдена, хрома способствует повышению сопротивления окислению тантала, учитывая также влияние размерного фактора.

На сопротивление окислению тантала положительное влияние оказывают также легирующие элементы, образующие термодинамически стабильные оксиды. Так, например, изобарно-изотермический потенциал реакции образования оксидов металлов, полученных по уравнению

для оксидов гафния, циркония, титана и тантала при 2000 “С соответственно составляет:

Сравнительная оценка величин изобарно-изотермических потенциалов свидетельствует о большей термодинамической стабильности оксидов титана, циркония и гафния при сверхвысоких температурах по сравнению с аналогичным параметром для Ta2O5. Экспериментально показано также, что в процессе окисления сплавов систем Ta-Ti, Ta-Hf, Ta-Zr образуются сложные оксиды, расположенные во внутреннем слое окалины.



Окисляемость сплавов системы Ta—Nb—(Hf, V, Zr) характеризуется высокой скоростью окисления при температурах 1000—1200 °С. Введение в бинарную систему Ta-Nb хрома также не оказывает положительного влияния на сопротивление окисляемости сплавов. Так, например, скорость окисления сплава состава 30Nb—20Hf-Ta составляет 133,2 мг/(см2*ч) при 1200 °С, это достаточно большая величина, что не позволяет рекомендовать рассмотренный сплав без защитного покрытия при разработке армированных сверхвысокотемпературных композиционных материалов. Легирование бинарной системы Ta-Hf алюминием сопровождается значительным (вдвое) снижением скорости окисления сплава по сравнению со скоростью окисления нелегированного тантала.

Скорость окисления сплава состава 20Hf-2А1-Ta при 1200 °С равна 33,5 мг/(см2*ч), что совпадает со скоростью окисления для данных бинарных сплавов на основе тантала при тех же температурах. Из перечисленных добавок (Ti, Mo, W, Zr), вводимых в танталовые сплавы, ни одну из рассмотренных нельзя признать эффективной, способствующей значительному снижению скорости окисления танталовых сплавов при температуре эксплуатации, равной 1200 °С. При более высоких температурах, равных 1400 °С, могут применяться танталовые сплавы, содержащие одновременно Al, Cr, Ti или Al, Si, Ti в количествах, не превышающих для Al, Cr и Si 5 мас. %. Скорость окисления сплава состава 30Ti-5Al-SCr-Ta равна 14,6 мг/(см2*ч) при 1400 °С. Несколько меньшая скорость окисления — 5,8 мг/(см2*ч) при 1400 °С характерна для сплава, содержащего одновременно титан, алюминий и кремний. Состав такого сплава: 30Ti-5А1-1,5Si-Ta. Однако такие сплавы плохо обрабатываются и по этой причине не могут быть рекомендованы в качестве матричных при разработке сверхвысокотемпературных композиционных материалов.