8.1.3. Карбид титана

Карбид титана обладает хорошими механическими свойствами при умеренно высоких температурах (до 1 275 К), благодаря чему представляет интерес как материал для деталей газовых турбин. Он также имеет перспективы в качестве огнеупорного материала до температуры 3 000 К. Улучшение таких свойств карбида титана, как термостойкость и жаропрочность, достигается за счет применения связующего матери­ала, – его функцию могут выполнять тугоплавкие металлы.

В последнее время карбид титана нашел применение как барь­ерный материал между вольфрамовой облицовкой и графитовой обоймой во вкладыше критического сечения сопла РДТТ.

Основные физико-механические свойства карбида титана

Цветcерыйс металлическим блеском

Плотность4,85∙10³ кг/м³

Температура плавления 3413К 4

Температура кипения793 К

Кристаллическая решетка –кубическая гранецентрированная Твердость по Моосу 8...9

Коэффициент термического

расширения 7,410^-6 град.^-1

Химические свойства карбида титана

Слабо реагирует с СО; с СО₂ при температуре выше 1 475 К ре­агирует с образованием ТЮ₂

Растворим в азотной кислоте.

Нерастворим в воде и соляной кислоте.

Устойчив в атмосфере азота до 2 775 К. Окисляется в кислороде при высоких температурах (> 1 273 К).

8.1.4. Карбид бора

Карбид бора обладает чрезвычайно широким комплексом химических, физических и механических свойств. Благодаря этому он широко используется в технике, хотя относительно высокая сто­имость ограничивает его применение. С развитием атомной энерге­тики карбид бора начали применять в атомных реакторах как мате­риал для стержней, регулирующих протекание ядерных реакций, так как в его составе присутствуют атомы бора ¹⁰В, у которых сечение захвата нейтронов очень велико.

Карбид бора В₄С являет собой удачное сочетание двух элементов, которое обладает более высокими жаропрочностью и жароупорностью,нежели исходные материалы. Высокая твердость (третий по твердости материал после алмаза и кубического нитрида бора) в сочетании с инер­тностью по отношению к кислотам, щелочам и некоторым жидким ме­таллам позволили ему занять важное место среди материалов, применя­емых для деталей реактивных двигателей, газовых турбин и т. п.

Карбид бора устойчив против окисления на воздухе до 1 273 К, но быстро окисляется при более высоких температурах, особенно в среде кислорода. Ему свойственна низкая упругость диссоциации при высо­ких температурах. Технический карбид бора может быть получен не­сколькими методами: прямой синтез из элементов; восстановление борного ангидрида (В₂О₃) или борной кислоты (Н₃ВО₃) углеродом; восстановление борного ангидрида магнием в присутствии углерода; восстановление галогенидов бора водородом в присутствии углерода; осаждение из газовой фазы. Наиболее широкое распространение по­лучили методы углеродного восстановления оксида бора по реакции

2В₂О₃ + 7С = В₄С + 6СО.

Углеродное восстановление осуществляют в различных температурных условиях в печах разных конструкций: дуговых, графитотрубчатых печах сопротивления и в вакуумных электропечах. В промышленности карбид бора получают в трехфазных дуговых электропечах периодическим способом. У карбида бора ромбоэд­рическая решетка с параметрами: а = 0,560 нм, с = 1,212 нм.

Физико-механические свойства карбида бора

Твердость по Моосу 9,3

Температура плавления2 723 К

Электросопротивление при 293 К 0,3...0,8Ом-см Коэффициент теплопроводности

(при 293...698К) 29,26...83,6 Вт/(м∙К)

Предел прочности при 293 К 2 910МПа

Предел прочности при изгибе при 293 К 309 МПа

Плотность 2,5∙10³кг/м³ Термическая устойчивость (циклов в

интервале 1473...298 К) 1/2.

Приведенные свойства карбида бора свидетельствуют, что, не­смотря на высокую прочность, он является наименее термостойким материалом. Это объясняется его низкими тепло- и электропровод­ностью, которые, в свою очередь, обусловливают неудовлетворительные релаксационные способности. В связи с этим карбид бора применяется в сочетании с другими соединениями, например нит­ридом бора, нитридом кремния и карбидом кремния.

Детали из всех карбидов получают методами горячего прессова­ния и гидростатического прессования с последующим спеканием; иног­да применяют холодное выдавливание с последующим спеканием.

Карбиды ниобия, гафния, вольфрама, тантала среди карбидов тугоплавких переходных металлов занимают особое положение, определяемое их строением, свойствами и значением в технике.

Некоторые физико-механические свойства этих карбидов

		Плотность,кг/мз	Температура плавления, К	Твердость по Моосу
Карбид	ниобия (NbC)	7,2∙103	3773	9...10
Карбид	гафния (HfC)	12,2∙103	4173
Карбид	Вольфрама(WC)	17,2∙103	3133	9
Карбид	тантала (ТаС)	14,5∙103	4153

Данные карбиды, несмотря на высокую температуру плавления, не находят применения в качестве жаропрочных материалов, так как всем им свойственна низкая термостойкость; к тому же это весьма дефицитные материалы высокой стоимости.

Следует остановиться на карбидах вольфрама. Их существует нес­колько. Все они имеют температуру плавления ниже температуры плав­ления металлического вольфрама: 3 685 К. Во вкладышах критического сечения сопла твердотопливных двигателей применяется графит с об­лицовкой из псевдосплаваW + Сu. В процессе работы двигателя карби­ды вольфрама, образующиеся на границе W– графит, с металлическим вольфрамом дают низкоплавкие эвтектики, которые приводят к про­гарам облицовок. Во избежание этого между графитом и вольфрамом нужно обязательно наносить тонкий слой (около 0,5 мм) карбида ти­тана или карбида тантала [31, 49, 50].