книги из ГПНТБ / Копецкий, Ч. В. Структура и свойства тугоплавких металлов

На длительной (прочности молибденовых сплавов резко сказывается цикличность нагревов при испытании. В работе [115] показано, что при циклических измене­ ниях температуры длительная прочность сплава ЦМ-2А значительно снижается по сравнению с прочностью, по­ лученной при испытаниях в условиях постоянной тем­ пературы. Авторы связывают наблюдаемый эффект с воздействием термических напряжений.

М. В. Мальцевым с сотрудниками [146] разработаны сплавы, легированные никелем и цирконием, TGM-3 (0,05—0,1% Ni и 0,06—0,1% С) и ТСМ-4 (0,15-0,25% Zr; 0,05—0,1% Ni н 0,02—0,04% С). Как считают авторы никель ,в сплаве TGM-3 способствует повышению низ­ котемпературной и высокотемпературной пластичности вследствие снижения выделений карбидной фазы М0 2 С по границам зерен.

В сплаве ТСМ-4 сочетается модифицирующее и уп­ рочняющее действие карбида циркония с положитель­ ным влиянием никеля на пластичность. Кратковремен­ ная прочность сплава ТСМ-4 при некоторых температу­ рах приведена ниже [146]:

В последнее время проведен ряд исследований с це­ лью повышения жаропрочности малоуглеродистых низ­ колегированных сплавов за счет дисперсного упрочнения выделениями нитридов легирующих элементов. Азотиро­ вание сплава ЦМ-2А в среде аммиака при Ю00°С в те­ чение 1 ч повышает его жаропрочность в деформирован­ ном и рекристаллизованном состояниях при температу­ рах испытания 1000—1400°С на 70—100% [117]. Это объясняется образованием дисперсных частиц .нитридов, которые выделяются по границам и внутри зерен и зат­ рудняют процессы пластической деформации при высо­ ких температурах.

По данным Д. Митчелла [1, с. 654—658], в случае ле­ гирования молибдена гафнием эффективность от внут­ реннего азотирования удается значительно повысить.

182

Низколегированные высокоуглеродистые сплавы

Из сплавов, приведенных в табл. 8, в эту группу вхо­ дят сплавы TZC и ВМ-3. От малоуглеродистых низколе­ гированных сплавов они отличаются в первую очередь содержанием углерода, которое повышено в них до 0,26—0,5% (по массе), в соответствии с этим несколько увеличено содержание легирующих элементов — титана и циркония, а в сплав ВМ-3 вводят еще до 1,5% (по мас­ се) Nb. Эти сплавы отличаются более интенсивным дис­ персным упрочнением за счет карбидных выделений. Температурные интервалы устойчивости карбидных фаз уже обсуждались нами. Они показаны на рис. 77. Кроме значительного увеличения числа карбидных выделений, повышение содержания углерода и легирующих элемен­ тов в указанных пределах не вносит никаких особенно­ стей в структуру сплавов.

О значительно меньшей степени разупрочнения спла­ ва типа TZC по сравнению с малоуглеродистыми сплава­ ми ВМ-1 и ВМ-2 свидетельствуют диаграммы истинных напряжений молибденовых сплавов, испытанных при 1500°С [44, с. 17—24]. По мнению авторов этой работы, низколегированные высокоуглеродистые сплавы целесо­ образно применять в трудных эксплуатационных усло­ виях при температуре выше 1200°С и в вакууме 133,3 — 13,33 мПа (ІО-3—ІО-4 мм рт. ст,), когда надежность ра­ боты деталей из малоуглеродистых молибденовых спла­ вов резко снижается. Как видно из табл. 8, высокотем­ пературная прочность этой группы сплавов существенно превосходит прочность малоуглеродистых сплавов при температурах выше 1200—1400°С. Особенно это относит­ ся к рекристаллизованному состоянию. При температу­ рах испытания ниже 1200—1400°С предел прочности сплавов типа TZC и TZM примерно одинаковый; иногда указывают, что сплавы типа TZM имеют более высокий предел прочности.

Однако применение высокоуглеродистых сплавов ос­ ложняется их плохой технологичностью. Изготовление полуфабрикатов и изделий из этих сплавов представляет значительные трудности. К тому же эти сплавы харак­

теризуются повышенной температурой перехода в хруп­ кое сострянце.

183

Продолжаются успешные исследования, преследую­ щие повышение характеристик сплавов этой группы. Это достигается путем подбора рационального отношения концентрации элементов IV группы к содержанию угле­ рода, что обеспечивает получение оптимальной структу­ ры сплавов.

Некоторые данные о длительной прочности сплава TZC приведены на рис. 81 [116]. Длительная прочность

Рис. 81. Длительная прочность молибденового сплава TZC, отожженного в течение 50 мин при 20Э5°С, экструдированно­ го при 1540°С « прокатанного отри 1315°С (штриховая линия), а также отожженного в течение 50 мин при 1925°С и прокованното при І370°С (оплошная линия) при высоких темпе­

ратурах [116]

сплавов этого типа еще более сильно зависит от обра­ ботки, чем малоуглеродистых. Максимальные ее значе­

ния (до Ото ~350 МН/м2 (35 кгс/мм2) получают после высокотемпературного старения. В интервале темпера­ тур примерно от 1100°С и выше жаропрочность высоко­ углеродистых низколегированных сплавов молибдена существенно выше, чем малоуглеродистых.

Предпринимаются попытки заменить углерод в спла­ вах, предназначенных для работы при температурах до 1300°С, на бор. Разработан сплав с 0,05—0,1% Ті и 0,15—0,3% В, отличающийся повышенными физико-хи­ мическими и технологическими свойствами [148].

194

Высоколегированные молибденовые сплавы

Мы уже отмечали, что .при температурах до 2000°С низколегированные сплавы имеют более высокую проч­ ность, чем нелегированный молибден. Выше этой темпе­ ратуры разница в их прочности .незначительна. Для то­ го чтобы увеличить прочность молибдена при темпера­

Действительно, как следует из табл. 8, сплавы молиб­ дена с 25 и 50% W имеют более высокую прочность при температурах выше 1500°С вплоть до 2500°С по сравне­ нию с другими сплавами на основе молибдена. Сплав WZM производится в США в промышленном масштабе. По технологичности этот сплав превосходит низколеги­ рованные молибденовые сплавы [96, с. 222—247]. Тем­ пература рекристаллизации этого сплава ниже, чем у TZC. В состоянии после снятия напряжений прочность сплава WZM 'близка к прочности низколегированных мо­ либденовых сплавов. Однако при рекристаллизации ра­ зупрочнение сплава WZM происходит значительно ин­ тенсивнее, и в интервале температур 980—1300°С проч­ ность его значительно уступает прочности рекристаллизованного сплава TZC. Преимущества .в прочности сплавов типа WZM, по-видимому, должны сказаться при достаточно высоких температурах, так как температура плавления этого сплава на 270 град выше температуры плавления нелегированного молибдена или низколегиро­ ванных сплавов на его основе. По Ю-ч длительной проч­ ности в интервале температур до 1315°С сплав WZM значительно уступает низколегированным молибденовым сплавам. По-видимому, этот сплав перспективен для применения при температурах выше 1800°С {145].

Выдающимся сочетанием прочностных и пластичес­ ких свойств обладает сплав молибдена, легированный 47—50% (по массе) Re. Этот сплав выпускается у нас в стране и в США в промышленных масштабах [66]. Единственным фактором, сдерживающим применение этого сплава, является низкий объем производства ре­ ния из-за малого содержания его в земной коре.

По данным Е. М. Савицкого и М. А. Тылкиной [66], оптимальные механические свойства, которые можно ло-

185

Лучііть на сплавах системы молибдена С рением, имеют место при максимальном количестве рения, растворен­ ном в молибдене. Такой сплав представляет собой твер­ дый раствор с о.ц.к. решеткой, содержащий примерно 35% (ат.) Re. Необходимо избегать возникновения в сплаве ст-фазы, вредно влияющей на механические свой­ ства. Этот силав имеет очень высокую пластичность при

низких температурах. Порог хрупкости сплава лежит ниже —245°С. Сплав МР-47 ВП имеет достаточно вы­ сокую прочность, вплоть до 1800°С. При температурах выше 1400°С интенсивность падения прочности с ростом температуры резко замедляется. Е. М. Савицкий и др. рекомендуют этот сплав для работы при температурах около 1800°С .[67, с. 85—89].

Следует отметить, что длительная прочность сплава молибдена с 50% Re при 1600—2200°С значительно вы-

Рмс. 82. Характеристики длительной прочности сплава Мо — 50 Re по сравнению с Re и Мо і[118, с. 823]:

1 — испытания в аргоне; 2 — испытания в водороле

ше, чем нелегированного молибдена и его низколеги­ рованных сплавов.

На рис. 82 [418, с. 823—842] приведены результаты испытания на длительную прочность сплава молибдена с рением в вакууме и в водороде при 1600 и 2200°С. Вид­ но, кто при одном и том же напряжении время до разру­ шения этого сплава более чем на порядок выше, чем у чистого молибдена.

186

Из высоколегированных сплавов молибдена отметим разработанные Е. М. Савицким и М. А. Тылкиной с сот­ рудниками тройные сплавы серии МВР-27 ВП, содер­ жащие 27% (по массе) Re, 20—25% W и 10—53% Мо

[67, с. 85—89]. Эти сплавы достаточно технологичны, хотя и сильно наклепываются. По прочности и пластич­ ности они занимают 'промежуточное положение между сплавами W — Re и Мо — Re. До 1800°С сплавы сохраня­ ют достаточно высокую прочность: 100—120 Мн/м2 (10— 12 кгс/мм2). При 1300°С оюо сплава МВР-27 ВП2 (34% Мо, 27% Re) равна 120 МН/м2 (12 кгс/мм2). Сплав МВР-27 ВПЗ (53% Мо, 27% Re) при 1300°С выдержи­ вает напряжение 110 МН/м2 (11 кгс/мм2) ъ течение 22 ч. Ползучесть этих сплавов при 1800—1900°С достаточно низка.

НИОБИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Нелегированный ниобий

Чистый ниобий не отличается высоким уровнем проч­ ности при повышенных температурах. Прочность ниобия в интервале температур от 200 до 1400°С приведена на рис. 83 [119]. Кривые построены по результатам работ авторов, исследовавших ниобий разной степени чистоты, полученный различными методами.

По характеру влияния температуры на прочность мо­ лено выделить три области: область низких темпера­ тур до 0,2 Тип (особенности пластической деформации ниобия и его механические свойства в этой области тем­ ператур нами уже обсуждались), область средних тем­ ператур — от 0,2 ГплДо 0,5 Гпл и область высоких темпе­ ратур — выше 0,5 ТПЛ.

В области средних температур .наблюдается весьма значительный разброс механических свойств, которые за­ висят от многих факторов: характера структуры, содержания примесей внедрения, состояния образца н т. д. Прочность ниобия, полученного методом порошковой ме­ таллургии. и вакуумплавленного, более высокая, чем ни­ обия электроннолучевой плавки. По-видимому, .в первом случае это связано главным образом с большим содер­ жанием примесей внедрения, После холодной деформа-

1 8 /

дни прочность ниобия в интервале средних температур испытания также значительно повышается.

Выделяется область разброса значений прочности ниобия в среднем интервале температур (см. рис. 83). Снизу она ограничена значениями прочности, полученны­ ми при испытании чистых по примесям рекристаллизованных образцов. Верхняя граница области разброса

Рис. 83. Предел прочности при растяжении ниобия раз­ личной степени чистоты в за­ висимости от температуры

[119]:

сокой чистоты в рекрнсталлнзовансостоянни; 7 —ниобий дуговой ллдокк в рекристаллкзованпом со­ стоянии

относится к прочности образцов ниобия, содержащих значительное количество примесей внедрения или к холоднодеформироваиным металлам. При этом наиболее эффективное упрочнение в интервале от комнатной тем­ пературы примерно до 500°С вызывает наклеп. В интер­ вале от 200 до 700°С эффективное упрочнение вызывает также деформационное старение. В области средних температур наблюдается один или более максимум проч­ ности. Ответственным за них является в основном де­ формационное старение, 'вызванное примесями внедре­ ния: кислородом, углеродом и азотом. Каждой примеси отвечает максимум прочности. Кислород .вызывает пик при 300°, углерод — при 500 и азот — 600°С. Поло­ жение пика по температуре связано с достижением кри­ тического значения коэффициентов диффузии трех при­ месей внедрения, которое составляет ІО-12 см2/с при 300. 500 и 700°С для кислорода, углерода и азота соответст­ венно. Кислородный пик, распространяющийся на ши­ рокий температурный интервал, маскирует пики от уг­ лерода и азота. По некоторым результатам [70], эффект деформационного старения значительно сильнее .выра­ жен при малых скоростях испытания. Относительное

188

удлинение ниобия с повышением температуры растет. Некоторое незначительное снижение его наблюдается лишь в области интенсивного деформационного старе­ ния.

При температурах испытания .выше 0,5 Тпл влияние структуры образцов и примесей внедрения в металле значительно уменьшается и при температурах выше 1000°С практически не проявляется. При 1200°С и выше прочность ниобия весьма низкая, при 1370°С она равна лишь 27 МН/м2 (2,7 кгс/мм2) [71].

Длительная прочность и ползучесть ниобия также за­ висят от структурного состояния и чистоты металла. Кроме того, они существенно зависят от атмосферы, в которой проводятся испытания. Обычно испытания в инертном газе или в недостаточно высоком вакууме да­ ют завышенные значения длительной прочности. Завы­ шенные значения длительной прочности и заниженные значения скорости ползучести показывают наклепанные образцы пли образцы, загрязненные примесями внедре­ ния. Таким образом, при анализе механических свойств ниобия всегда надо принимать во внимание все влияю­ щие на них факторы.

На рис. 84 [71] приведены данные о длительной проч­ ности рекристаллизованного ниобия дуговой и элект­ роннолучевой плавок. Однако имеются данные [71], по­ лученные при температурах 870 іи 980°С, в несколько раз превышающие значения, приведенные на рис. 84. Воз­ можно, это объясняется интенсивным загрязнением ниобия примесями внедрения в процессе испытания.

Рис. 84. Длительная проч­ ность ниобия дуговой плав­ ки (/, 2) и электроннолу­ чевой плавки (3) в ірекрйсталлнзовашюм состоя­ нии при разных температу­

рах [71]:

/ — •испытание в аргоне; 2,3 — испытание в вакууме

189

Сплавы ниобия

За последние 15 лет проведено большое число иссле­

дисперсного упрочнения. При этом последний метод уп­ рочнения предполагает получение гетерогенной структу­ ры путем введения дисперсных частиц в сплав при era изготовлении либо плавкой, либо порошковой металлур­ гией, так и вследствие их выделения при термической' обработке. Результаты работ по созданию сплавов нио­ бия и основные закономерности влияния легирующих элементов и дисперсных выделений на механические свойства ниобия приведены в ряде обзоров [70, 71, 102, 119—121]. К настоящему времени разработано много сплавов ниобия различного назначения. Некоторые спла­ вы и их свойства приведены в табл. 9. Общепринятой классификации ниобиевых сплавов нет. Согласно [102], сплавы, приведенные в таблице, можно разделить на три группы: I — высокожаропрочные; I I — жаропрочные и окалиностойкие; III — технологичные и умеренно жаро­ прочные.

Основой выеокожаропрочных сплавов являются си­ стемы Nb — W, Nb—Mo или N b—W — Mo при содер­ жании до 10—20% W и Mo или их суммы. Указанная ос­ нова легирована дополнительно элементами IV груп­ пы— до 2% Zr или 2—10% Ш и содержит повышенное количество углерода от 0,05 до 0,4% (по массе). Иног­ да такая основа с добавками элементов IV группы до­ полнительно легируется металлами V группы. Так, сплав FS-85 дополнительно легируют 28% Та, а сплав В-66 5% V. Некоторые из сплавов этой группы содержат в небольшом количестве специальные добавки: 0,1% Y—

сплав WC-129 или 0,015—0,04% р.з.м. —сплавы ВН-4 и

ВН-5А.

Жаропрочные и окалиностойкие сплавы создают на основе системы Nb — W — Ті либо Nb —Mo — Ті при содержании до 27% W, до 20% Мр и до 10% И- При

190

Таблица Й

Механические свойства некоторых отечественных и зарубежных промышленных ниобиевых сплавов [17, 70, 93, 102, 106, 119, 120]

191