|
|
За последние 35 лет сильно возрос
интерес к материалам, обладающим значительной прочностью при высоких
температурах.
В тот период, когда они требовались преимущественно только
для паровых машин, паровых турбин и оборудования химической промышленности,
речь шла о рабочей температуре не выше 500° С. При таких условиях можно было
довольствоваться сплавами на основе железа, и тогда были разработаны
многочисленные высокотемпературные стали, легированные никелем, кобальтом,
хромом, кремнием и другими элементами.
В последние годы положение коренным образом изменилось.
Уже после 1953 г. созданы самолеты дальнего радиуса действия с реактивными
двигателями, посланы в космос многочисленные спутники и космические корабли с
ракетными двигателями. В связи с этим возникла потребность в материалах для
газовых турбин, воздушно-реактивных двигателей, ракет, атомных реакторов, т.
е. в материалах, способных к работе при температурах 800—1000° С и даже
значительно выше. Сплавы на основе железа для таких высоких температур почти
непригодны.
В работах сообщается о тех проблемах, с которыми
приходится сталкиваться конструкторам и материаловедам при конструировании
двигателей для самолетов и космических кораблей. На 108 приведены рабочие
температуры указанных двигателей и пригодные для них по точкам плавления
металлы, окислы и металлоподобные твердые материалы.
Критерием для усиленной подвижности атома и,
следовательно, для уменьшенного сопротивления деформации является поведение
металла или сплава в отношении рекристаллизации. Для каждого данного металла
можно ожидать высокой механической прочности только при температуре ниже его
точки рекристаллизации.
Температуру рекристаллизации сплавов на основе железа
(сталей) не удалось поднять намного выше 800° С ни путем легирования, ни
другими какими-либо мероприятиями. В связи с этим подобные материалы
оказались непригодными для тех случаев, когда требуются достаточные
прочностные характеристики при указанных температурах. Улучшенные сплавы на
основе никеля, кобальта и хрома рекристаллизуются при более высоких
температурах. Их, однако, также нельзя использовать при температурах выше
Температурный интервал, в котором рекристаллизация
металлоподобного материала становится заметной, в значительной степени зависит
от точки плавления. Это дает примерное представление о прочностных
характеристиках, которые можно ожидать при высоких температурах. Наибольшую
прочность при наиболее высоких температурах можно предвидеть только у тех
металлоподобных и металлических материалов, которые имеют наиболее высокую
точку плавления.
Эта точка зрения подтверждена практическими
экспериментами. Все изученные до настоящего времени тугоплавкие металлы,
металлоподобные и неметаллические тугоплавкие твердые материалы обладают
приемлемой жаропрочностью.
Из-за высокой точки плавления существенную роль при
изготовлении этих материалов приобретают методы порошковой металлургии. В
табл. 60 приведены точки плавления и величины плотности тугоплавких металлов,
неметаллов, карбидов, нитридов, боридов, силицидов и окислов по Кэмпбеллу. Точки
плавления приведены на основании позднейших данных. Произведена также
классификация материалов по пластичности и устойчивости к окислению. На оба
этих параметра сильно влияют, а в ряде случаев могут заметно улучшить их,
образование сплава и получение композиционных материалов из перечисленных
соединений. Согласно данным авторов, возможны многочисленные сочетания,
которые в последние годы были опробованы, по крайней мере, качественно (см.
табл. 1 в книге «Твердые материалы»).
При изучении структуры сплавов тугоплавких переходных
металлов, а также сплавов этих металлов с благородными металлами, рением ,
бериллием , алюминием найдено много в большинстве случаев очень хрупких и
твердых интерметаллических фаз, обладающих, кроме того, высокими точками
плавления. Пользуясь табл. 61, можно выбирать соединения по точкам плавления,
плотности и устойчивости к окислению. Жаропрочность и способность к
схватыванию этих материалов, за немногими исключениями, например NiAl, еще не
изучены. Таким образом, перед исследователями здесь открывается широкое, хотя
и трудное, поле деятельности. Металлургическая технологическая проблема
состоит в том, чтобы преодолеть естественную пористость интерметаллических
фаз путем легирования и, в частности, путем создания соответствующих
композиционных материалов.
Возможность применения в качестве высокотемпературных
материалов тугоплавких металлов, например вольфрама, молибдена, ниобия и
тантала, ограничена из-за недостаточной устойчивости их к окислению при
высоких температурах. В ракетных соплах, однако, вследствие кратковременного
воздействия высоких температур— даже незащищенные молибден и вольфрам, их
сплавы, а также графит и композиционные материалы на основе вольфрам —
серебро показали очень хорошие результаты. У ракет, работающих с твердыми и
жидкими реактивными зарядами, часто при сгорании образуются нейтральные или
слабо восстановительные выхлопные газы, которые могут в течение короткого
времени играть роль защитной атмосферы.
В обычных же случаях применения высоких температур
приходится иметь дело с воздействием агрессивной или окислительной атмосферы.
Таким образом, тугоплавкие металлы можно применять только лишь при повышении
их окалиностойкости путем легирования или в том случае, если они защищены
окалиностойким покрытием, хорошо соединяющимся с основным материалом.
В то время как легирование молибдена и вольфрама до
настоящего времени не дало положительных результатов (если не считать
разработку хрупких высокотемпературных, устойчивых до 1700° С дисилицидов),
легирование ниобия 28% W и 10% Ti позволило получить окалиностойкие
материалы, устойчивые на воздухе или в кислороде при температуре до 1300° С
вследствие образования прочно соединяющейся с основным материалом окисной
пленки ЫЬгОз—W03—ТЮ2 со структурой рутила.
Разработаны защитные покрытия на основе Si, А1— Si—Сг,
Сг—Ti—Si, MoSi2—Ni—Сг и керамики. Таким образом, молибден, вольфрам и ниобий
или их сплавы с защищенной поверхностью в будущем могут быть использованы при
температурах примерно до 1500° С.
Для тугоплавких благородных металлов подобные защитные
покрытия не требуются. Их применению, однако, препятствуют большая плотность
и высокая стоимость. Некоторые возможности существуют для покрытий, промежуточных
слоев или керметов из металлов платиновой группы.
Предположение о том, что металлоподобные твердые материалы
с их высокими точками плавления должны иметь удовлетворительную
жаропрочность, уже подтвердилось на практике. Как уже упоминалось ранее,
преимущество твердосплавных режущих инструментов основано главным образом на
их горячей твердости, т. е. на высоком сопротивлении деформации при высоких
температурах, создающихся при больших скоростях резания. Устойчивость к
окислению также в известной мере является предпосылкой для
удовлетворительного поведения режущего материала. Современные торговые марки
твердых сплавов обладают достаточной устойчивостью к окислению при умеренно
высоких температурах. Они, однако, интенсивно покрываются окалиной при
температурах, возникающих у приводных механизмов турбин и сопел. Из карбидов,
входящих в состав металлокерамических твердых сплавов, только карбид титана
обладает, по-видимому, достаточной окалино- стойкостью при температурах выше
500° С. Это превосходство карбида титана хорошо подтверждается опытными
данными по технологии резания.
Высокотемпературные свойства металлокерамических
материалов на карбидной основе зависят, однако, не только от свойств
карбидной фазы, но и от характеристик связующего металла. Обладающая низкой
ока- линостойкостью связка оказывает вредное воздействие даже при наличии
устойчивых к окислению карбидов. Таким образом, наилучшими
высокотемпературными свойствами характеризуются сплавы на основе TiC с
жаропрочной цементирующей фазой из сплавов типа Ni—Сг—Со—Сг и Ni—Со—Сг .
При более высоких температурах возможность применения
карбида титана, а также других карбидов или твердых растворов карбидов
становится ограниченной из-за увеличивающейся склонности к окислению.
Применение твердых сплавов на карбидной основе, подверженных окислительному
воздействию при температурах выше 1100° С, целесообразно только в том случае,
если эти материалы защищены надежным покрытием
Карбиды не являются единственными пригодными твердыми
материалами. В целях разработки твердых сплавов на основе других тугоплавких
металлов Шварц- копф провел систематические исследования подобных материалов
с такими же механическими и термическими характеристиками, как карбиды, но
превосходящими их в отношении коррозионной стойкости и устойчивости к
окислению. Эти работы привели к открытию металлокерамических материалов на
боридной основе, которые по горячей твердости превосходят все остальные
высокотемпературные материалы. Устойчивость к термоударам, ударная вязкость и
окалиностойкость их, однако, еще недостаточны.
Особое значение в настоящее время приобретают также
силициды, которые можно применять в качестве защитных покрытий на тугоплавких
металлах, а также в виде массивных спеченных изделий. Из всех рассматриваемых
силицидов наибольшую ценность наряду с дисилицидом вольфрама имеет дисилицид
молибдена, устойчивый к окислению при температуре до 1700° С.
В первом издании книги наряду с сообщением о материалах на
основе металлоподобных твердых материалов говорилось о высокотемпературных
материалах из окислов, керамики и смешанных материалах окись металла—металл,
так называемых «керметах».
Надежды, возлагавшиеся на эти материалы, в особенности на
последнюю группу, до сих пор не оправдались; они представляют интерес только
в качестве защитных покрытий. По этой причине настоящую главу авторы книги не
расширяют и дают лишь ссылки на новейшие литературные источники по данному
вопросу.
|