7.6. Вольфрам

В разделе углеметаллопластики были приведены некоторые свойства вольфрама и вольфрамовой нити, как армирующего материала УМП. Здесь будут рассмотрены псевдосплавы вольфрама, полученные двумя методами.

Вольфрам – самый тугоплавкий металл в природе,его температура плавления составляет 3 683К(3 410 С).

Он широко применяется в электротехнике, электронике, металлургии, ракетной и ядерной технике. В табл. 32 приведены его основные свойства.

Из таблицы видно, что вольфрам имеет низкую упругость паров и скорость испарения, поэтому широко используется в производстве нагревателей для получения высоких температур, ламп накаливания.

Сравнительно невысокая работа выхода электрона и достаточная плотность тока эмиссии обуславливают применение вольфрама для эмиттеров со специальными покрытиями и без них.

Для изделий, подвергающихся резкому нагреву до высоких температур , очень важным является понятие термостойкости, которая качественно описывается формулой

где σ_в – прочность при растяжении; 𝜆 – теплопроводность; α – коэффициент термического расширения; Е – модуль упругости.

Кроме этих величин большую роль здесь играют роль толщина изделия и форма, а также состояние поверхности. Кроме того теплопроводность с повышением температуры снижается, а коэффициент термического расширения возрастает.

Таблица 32.Основные свойства вольфрама

Свойства, единицы измерения	Значения при разных температурах				Некоторые значения для графита
Порядковый номер	74				6
Атомная масса	183,52				12
Температура плавления, К	3683				более 4000
Температура кипения, К	6205				Сублимирует
Упругость паров, Па	2400 К 17,6•10-6	2800 К 6,6•10-4	3200 К 4,3•10-2
Скорость испарения, кг/(м2•с)	2100 К 1,6•10-11	2700 К 3•10-7	3300 К 1,6•10-4
Теплоемкость, кДж/(кг•К)	290 К 0,14	1273 К 0,15	1673 К 0,15	2373 К 0,2	от 1,1 до 2,1
Теплопровод- ность, Вт/(м•К)	293 К 130	1100 К 118	2000 К 101		293 К 125
Средний коэффициент термического расширения, 1/К•106	293…575 К 4,5	293…875 К 4,6	293…1275 К 5	293…2675 К 5,8	293 К 2
Излучательная способность, %	293 К 47	1073 К 45	2473 К 42,5	3000К 41,5	80…92
Удельное электросопро- тивление, мкОм•м	293 К 550	1073 К 4000	2273 К 6600	2700К 8100
Плотность тока эмиссии, А/м2	1100 К 1,5•10-9	1923К 2,3	2500 2980
Работа выхода электрона, эВ	4,54
Плотность, кг/м3	19300				2290 теор.

При очень маленькой теплоемкости это приводит к растрескиванию вольфрамовых деталей при резком нагреве или тепловом ударе. Поэтому изделия из него должны иметь определенную, не выше критической для конкретного применения толщину стенки, стержня и т.п.

Так, сварочные электроды не должны быть толще 10 мм, обычно применяют восьмимиллиметровые стержни. То же относится к ракетной технике: толщина облицовки вкладыша критического сечения сопла твердотопливного двигателя не больше 10 мм, такими же должны быть и размеры других деталей, подвергающихся резкому нагреву.

Вольфрам – это перспективный материал для настоящих и будущих космических ядерных установок, являющихся источниками питания тепловых, электрических и других ракетных двигателей малой тяги, а также некоторых деталей этих двигателей (отражатель нейтронов, защита от гамма-излучения, несущие оболочки высокотемпературных ТВЭЛов, электроды в ЭРД, фокусирующие устройства и т.п.).

Одним из недостатков вольфрама сравнительно низкая температура рекристаллизации: для умеренно наклепанного металла она составляет примерно 1800 К, а для сильно обжатого – 1300 К и ниже.

Рекристаллизация (укрупнение зерна) характеризуется уменьшением предела прочности при растяжении и, главное, пластичности, причем рекристаллизованный металл становится очень хрупким. Так, проволока вакуумных вольфрамовых нагревателей после высокотемпературного нагрева ведет себя как керамика.

Введение в допустимых пределах в вольфрам некоторых присадок препятствует рекристаллизации и росту зерна. В качестве таковых могут служить оксиды алюминия, тория, кремния, кальция и урана, которые вводятся при спекании вольфрамовых заготовок. При очень высоких температурах (выше 2680 К) вольфрам восстанавливает оксиды присадок, что сопровождается изменением его свойств.

Механические свойства вольфрама в значительной степени зависят от глубины обработки, формы заготовки и температуры отжига. Некоторые примеры: проволока диаметром 1 мм имеет предел прочности при растяжении 1800 Мпа, (180 кгс/мм²), а при диаметре 0,1 мм – 3000 Мпа, пруток кованый – (350…1500)Мпа.

И все-таки – вольфрам относится к наиболее прочным металлам, хотя обладает низкой пластичностью, хрупок. Присадки повышают высокотемпературную прочность (жаропрочность) вольфрама. Так при температуре 1375 К она составляет 24 кгс/ мм² без присадок и 32 кгс/мм² – с присадкой ThO₂.

Так как торий радиоактивен, то вышеуказанная присадка применяется только для реакторного вольфрама.