Практическая работа №6

Принципы легирования тугоплавких металлов с целью создания жаропрочных сплавов

Содержание

1. Жаропрочность нелегированных тугоплавких металлов……………………………..

2. Принципы легирования тугоплавких металлов………………………………………..

2.1 Твердорастворное упрочнение………………………………………………………

2.2 Упрочнение за счет образования избыточных фаз. Дисперсноупрочненные и дисперсионноупрочненные сплавы……………………………………………………..

2.3 Использование диаграмм состояния………………………………………………..

1. Жаропрочность нелегированных тугоплавких металлов

ТМ «большой четвёрки» - W, Mo, Ta, Nb являются наиболее перспективной основой для создания жаропрочных сплавов.

На рис. 1 и 2 представлены зависимости предела прочности и длительной прочности тугоплавких металлов от температуры испытания. Наибольшую жаропрочность при всех температурах испытания имеет самый тугоплавкий металл W, наименьшую прочность и жаропрочность имеют V и Cr.

Видно (рис. 1), что ТМ с ОЦК решёткой при достижении рабочих температур разупрочняются более чем в 5-7 раз по сравнению с Т_комн. Единственный способ упрочнения чистых металлов – это деформационное упрочнение. Упрочнение от нагартовки не может обеспечить высокой жаропрочности, т.к. температура начала рекристаллизации тугоплавких металлов значительно ниже рабочих температур, она находится в пределах 0,3-0,4 T_пл (при >60%) табл. 1.

На рис. 3 представлены зависимости удельного предела прочности металлов VA и VIА групп от температуры испытания.

По характеристикам удельной прочности из-за разной плотности здесь металлы VА и VIА групп в определенном диапазоне температур меняются местами по сравнению со свойствами, представленными на рис. 1 и 2. Например, более легкий Cr по удельной прочности в диапазоне температур 400-800С превосходит другие ТМ, в диапазоне температур 800-1200С наибольшую удельную прочность имеет Mo и только выше 1300-1400С у самого тяжелого, но и самого тугоплавкого W по абсолютной и удельной прочности и жаропрочности нет конкурентов. Характерно, что тугоплавкий, но и очень тяжелый Та уступает по удельной прочности другим тугоплавким металлам во всем диапазоне рабочих температур.

Разупрочнение нелегированных ТМ VА и VIА групп обусловлено особенностями их ОЦК решеток. С повышением температуры облегчается поперечное скольжение винтовых дислокаций, уменьшаются силы трения решетки, обусловленные наличием примесей внедрения.

Рис. 1 ‒ Температурные зависимости предела прочности ТМ в рекристаллизованном состоянии

Рис. 2 ‒ Длительная 100-часовая прочность ТМ при разных температурах

Металл(VA)	Tн.р.,˚С	Металл(VIA)	Tн.р.,˚С
V	800	Cr	950
Nb	950	Mo	1050
Ta	1200	W	1250

---

Табл. 1 ‒ Температура начала рекристаллизации металлов VА и VIA групп

Рис. 3 ‒ Температурные зависимости удельной прочности ТМ VA и VIA группы

2. Принципы легирования тугоплавких металлов

Для создания жаропрочных сплавов ТМ легируют элементами, упрочняющими матрицу за счет образования твердых растворов и частиц избыточных фаз. То есть, реализуются два известных способа упрочнения:

1) твердораствороное упрочнение;

2) упрочнение за счет образования избыточных фаз при получении гетерофазных сплавов (дисперсионное и дисперсное упрочнение).

2.1 Твердорастворное упрочнение

Для твердорастворного упрочнения тугоплавких металлов обычно используют другие тугоплавкие металлы по следующим причинам:

1. Из-за близости электронного и кристаллического строения ТМ растворяются друг в друге в больших количествах. В пределах IVА, VА и VIА групп металлы неограниченно растворяются друг в друге (исключение составляют только системы V-Ta и Cr-W).

2. Нетугоплавкие металлы других групп весьма ограниченно растворимы в ТМ. Это ограничивает возможность создания сплавов-твердых растворов. Но не в этом главная проблема. Нетугоплавкие металлы резко снижают солидус даже при введении их в сплавы на основе ТМ в небольших количествах. Это неприемлемо при создании жаропрочных сплавов. В сплавах-растворах с низким солидусом сильно развиваются диффузионные процессы при нагреве, и сплав становится менее прочным, чем нелегированный ТМ-основа. Твердые растворы, образуемые при сплавлении ТМ друг с другом, всегда имеют достаточно высокий солидус. Это является главной причиной твердорастворного упрочнения с использованием в качестве легирующих элементов только тугоплавкие металлы.

ТМ образуют между собой твердые растворы замещения. Упрочнение достигается за счет:

- дополнительного закрепления дислокаций растворенными атомами и в результате торможения дислокаций полями упругих напряжений вокруг растворенных атомов;

- уменьшение при легировании диффузионной подвижности атомов.

Возможности легирования ТМ с целью создания жаропрочных сплавов весьма ограниченны, т.к. при этом снижается пластичность и повышается t_хр. Кроме того, при образовании сильно легированных твердых растворов ухудшаются деформационные возможности сплавов, и из них нельзя получать деформированные полуфабрикаты.

Это в первую очередь относится к сплавам на основе металлов VIА группы. Поэтому почти все сплавы на основе этих металлов являются малолегированными. Исключение составляют только сплавы систем Mo-W, Mo-Re, W-Re.

Наиболее жаропрочные сплавы на основе металлов VA группы содержат в качестве основной структурной составляющей высокотемпературный твердый раствор.

2.2 Упрочнение за счет образования избыточных фаз. Дисперсноупрочненные и дисперсионноупрочненные сплавы

---

При температурах выше 0,5-0,6 Т_пл твердорастворное упрочнение уже неэффективно. В этом случае увеличение жаропрочности можно получить за счет легирования такими элементами, которые будут обеспечивать получение избыточных фаз.

К фазам-упрочнителям на основе ТМ предъявляются особые требования:

1) они должны быть достаточно жаропрочными, температура плавления их должна быть выше или, по крайней мере, соизмерима с Т_пл металла-основы сплава;

2) они должны иметь высокую твердость, высокий модуль упругости, малый ТКЛР, т.е. иметь высокие физические и механические свойства, которые определяют высокую прочность связи;

3) высокую термическую стабильность в сплаве, особенно в условиях длительной работы при высоких температурах; поэтому фазы-упрочнители не должны иметь в своем составе атомов металла-растворителя;

4) при введении легирующих элементов, образующих эти фазы, не должен резко понижаться солидус сплава; поэтому данные фазы-упрочнители должны быть конгруэнтно плавящимися;

5) они должны иметь невысокую плотность.

Возможны два пути:

1. Интерметаллидное упрочнение

Для тугоплавких металлов этот путь по ряду причин не дал положительных результатов и пока практически не используется. Эти причины сводятся к следующему:

1) Даже самые известные интерметаллидные фазы на основе ТМ (W₂Re₃, MoRe₃, Mo₂Os, Mo₃Ir, Ta₃Ir), (W₂Zr,W₂Hf), (WRe₃, WIr₃) недостаточно тугоплавки;

2) В большинстве своем они инконгруэнтно плавящиеся, т.е. образуются по перитектическим реакциям. Поэтому введение легирующих элементов, образующих эти фазы, резко понижает солидус сплава, а следовательно, и уровень жаропрочности.

3) Введение в состав сплава необходимого для упрочнения количества интерметаллидной фазы приводит к резкому ухудшению технологичности и снижению низкотемпературной пластичности.

Второй путь связан с упрочнением такими элементами, которые образуют фазы внедрения.

2. Сплавы, упрочненные фазами внедрения

Этот путь оказался наиболее перспективным для создания жаропрочных сплавов на основе ТМ.

В качестве фаз-упрочнителей промышленных сплавов чаще всего используют карбиды, реже нитриды, бориды и оксиды. Гидриды имеют низкую прочность и слабое сцепление с ОЦК матрицей. Поэтому их появление в структуре нежелательно.

Наиболее перспективными фазами-упрочнителями тугоплавких металлов являются карбиды металлов IVA группы – титана, циркония и гафния (TiC, ZrC, HfC). Они жаропрочны, модуль упругости у них выше, чем у тугоплавких металлов, твердость (22-34 ГПа) в 10-50 раз выше, температура плавления некоторых из них (ZrC, HfC, NbC, TaC) превышает температуру плавления вольфрама (3422 С), плотность фаз внедрения соизмерима с плотностью ТМ. Кроме того, при образовании этих фаз основной твердый раствор рафинируется от других элементов внедрения, что способствует повышению низкотемпературной пластичности.

---

По способу упрочнения различают дисперсионноупрочненные и дисперсноупрочненные сплавы.

1. Основным признаком первых является способность к старению (дисперсионному твердению), что предполагает наличие заметной растворимости упрочняющей фазы в матричном твердом растворе при высоких температурах и снижение растворимости при понижении температуры.

Дисперсионноупрочненные сплавы на основе ТМ получают методом вакуумной плавки с последующей деформацией слитка или без нее. В этих сплавах фаза внедрения образуется уже при кристаллизации или выделяется из пересыщенного твердого раствора при операциях термо-механической обработки(ТМО). Для получения максимальной жаропрочности необходимо, чтобы частицы избыточной фазы были достаточно дисперсны, близко расположены друг к другу и стабильны при рабочих температурах. Лучше всего эти требования выполняются при использовании закалки и старения, как конечной термической обработки сплава. Однако применительно к тугоплавким сплавам упрочняющая термическая обработка применяется редко из-за нестабильности структуры в процессе эксплуатации. В основном эти сплавы подвергают различным видам отжига.

2. Дисперсноупрочненные сплавы на основе ТМ обычно получают методом порошковой металлургии (ПМ).

При получении спеченных сплавов к порошку основного металла добавляют определенную объемную долю порошка фазы-упрочнителя заданной дисперсности. После перемешивания такая смесь подвергается обычным операциям ПМ: брикетирование, спекание, экструзия.

В конечной структуре изделия получают зерна основного металла с равномерно распределенными по их объему частицами второй фазы.

Отличительной особенностью дисперсноупрочненных сплавов (псевдо сплавов) является отсутствие процессов старения при ТМО и во время работы при высоких температурах. Несмотря на то, что в этих сплавах трудно получить такие же мелкие частицы, как в дисперсионнотвердеющих материалах, исключительная термическая стабильность упрочняющих фаз при длительной высокотемпературной эксплуатации обеспечивает получение высоких характеристик жаропрочности. Об этом свидетельствует сопоставление при различных гомологических температурах прочностных свойств ниобия и сплавов на его основе с различными механизмами упрочнения (рис. 4).

Если при относительно низких гомологических температурах (<0.5Т_пл) дисперсионное твердение дает максимальный эффект упрочнения, то при температурах выше 0,6Т_пл основы наиболее высокую прочность имеют уже сплавы с дисперсным механизмом упрочнения (кривая 5).

В качестве упрочняющих фаз в дисперсноупрочненных сплавах чаще всего используют термически стабильные тугоплавкие оксидные фазы типа ThO₂, Y₂O₃, HfO₂ и др. Типичный пример – торированный дисперсноупрочненный вольфрам (W+2%(об.)ThO₂).

---

В последние годы начинают опробовать метод введения дисперсных частиц путем внутреннего окисления.

Рис. 4 ‒ Влияние гомологической температуры испытания

Т/Т_пл на предел прочности при различных механизмах упрочнение ниобия:

1 – уровень прочности технически чистого Nb;

2 – деформационный механизм упрочнения;

3 – твердорастворное упрочнение

4 – дисперсионное твердение;

5 – дисперсное упрочнение.

2.3 Использование диаграмм состояния

Принципы анализа двойных систем при разработке жаропрочных сплавов на основе ТМ:

- анализ только системы, в которых оба компонента – ТМ;

- определение температуры равновесного солидуса изучаемого сплава;

- определение предельной растворимости второго компонента (если она имеется);

- изучение физико-химических свойств ближайшей к основе сплава промежуточной фазы (справочные данные);

и т.д.

Классификация тройных диаграмм состояния на основе тугоплавких металлов предполагает несколько типовых тройных диаграмм состояния Ме–Ме^/–Х в виде изотермических сечений (схем) при температурах, близких к рабочим температурам жаропрочного сплава. При выборе типовых диаграмм учитывают два основополагающих принципа при создании жаропрочных сплавов на основе ТМ:

1) инструментальное упрочнение при создании гетерофазных сплавов неприемлемо;

2) присутствие в этих сплавах фазы-упрочнителя, содержащей основной компонент (чаще всего это карбидная фаза внедрения Mo₂C, W₂C,Nb₂C, Ta₂C (в зависимости от основы сплава)) нежелательно и ее содержание должно быть исключено или сведено к минимуму.

Основные типовые системы приведены на рис. 5.

1. Первый тип тройной системы (рис. 5а) образуют металлы-аналоги, соседи в периодической системе. В каждой граничной двойной системе Ме–Х и Ме^/–Х существуют по крайней мере две изоструктурные фазы внедрения типа Ме₂Х и МеХ. Между металлами и изоструктурными фазами образуются непрерывные ряды твердых растворов ,  [(Ме,Ме^/)₂Х] и  [(Ме,Ме^/)Х]. Очевидно, что такая система не перспективна для разработки сплавов с гетерофазным упрочнением, т.к. в равновесии с _Ме раствором в любом варианте будет находиться фаза, состав которой входит основной металл: _Ме+[(Ме₂Ме^/)Х].

Рис. 5 – Основные типы тройных диаграмм Ме–Ме^/–Х

Условные обозначения:

Me – тугоплавкий металлVA или VIA группы (Mo, W, Ta, Nb, V) – основа жаропрочного сплава;

Me’ – переходный металл IIIA – VIIA групп (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, Mo, Re, Y и др.) – основной легирующий металл;

Х – элемент внедрений (С, В, N) – легирующий элемент.

2. Ко второму типу (рис. 5б) относятся системы, в которых между металлами и изоструктурными фазами типа МеХ образуются непрерывные ряды твердых растворов _Ме и  [(Ме,Ме^/)Х]. В этой системе имеется вариант, когда при достаточно высоком содержании легирующего металла Ме^/ в равновесии с _Ме твердым раствором будет находиться фаза (Ме^/Х)), которую можно рассматривать как перспективную фазу-упрочнитель.

---

Смотрите также файлы

• Практическая работа №7 Жаропрочные сплавы.docx

• Список литературы по тугоплавким металлам.docx

• Курсовая. Анализ фазовых превращений в системе Cu-Sn.docx

• Ответы на вопросы по порошкам (Шляпин).docx

• Реферат по патентному поиску.docx