Упрочнение основы легированием

Значительная растворимость в Nb ряда тугоплавких металлов и его способность к образованию промежуточных фаз создают широкие возможности для разработки жаропрочных сплавов.

Как видно из таблицы 5.1 для упрочнения ниобия могут быть использованы V, Ta, Cr, Mo, W, Ti, Fe, Mn, Al, Be, Ni.

Сплавы ниобия можно разделить на три группы (с позиции упрочнения):

1. Упрочнение в сплавах достигается в результате комплексного легирования ниобия молибденом, вольфрамом, цирконием, титаном. Примеры таких сплавов и их прочностные свойства представлены в таблице 5.2. Эти высоколегированные сплавы могут применяться при температуре до 1200-1250˚С. Они обладают достаточно хорошей деформируемостью.

Таблица 5.2 - Состав и прочностные свойства отечественных и зарубежных ниобиевых сплавов первой группы при высокой температуре (в отожжённом состоянии) [2]

Марка сплава	Состав сплава, %	1095˚С	1200˚С
σв, МПа	σ100, МПа	σв, МПа	σ100, МПа
ВН2А CB-752 (США) FS-85 (США) E-500 (США)	Nb+4,5Mo+0,7Zr+(<0,08C) Nb+10W+2,5Zr   Nb+27Ta+12W+1Zr   Nb+15W+5Mo+5Ti+0,7Zr +(<0,05C)				-

Высокая жаропрочность сплавов первой группы в значительной мере определяется присутствием в них дисперсных карбидов, что обусловлено наличием углерода.

2. Сплавы характеризуются повышенным содержанием углерода, а следовательно большим количеством упрочняющих карбидных частиц. Сплавы второй группы могут применятся до 1250-1300˚С, примеры приведены в таблице 5.3. Их недостатком является пониженная пластичность при комнатной температуре и сравнительно низкая деформируемость [2].

Таблица 5.3 - Состав и прочностные свойства ниобиевых сплавов второй группы при высокой температуре (в отожжённом состоянии) [2]

Марка сплава	Состав сплава, %	1095˚С	1200˚С
σв, МПа	σ100, МПа	σв, МПа	σ100, МПа
BH-3 BH-4 D-43 (США) F-48 (США)	Nb+4,6Mo+1,4Zr+1,12C Nb+6Mo+0,72Zr+0,1C++0,03Ce(La) Nb+10W+1,7Zr+0,1C Nb +10W + +5Mo+lZr+0,lC			-	- -

В сплавах с малым содержанием Zr основной упрочняющей фазой является карбид ниобия Nb₂C, в котором может растворятся до 6,8% Zr, в наиболее жаропрочных сплавах такой фазой является карбид циркония (Zr,Nb)C. В соответствии с этим наилучшими жаропрочными свойствами обладают сплавы, в которых атомные содержания Zr и C находятся примерно в соотношении 1:1.

3. Сплавы, содержащие Al и Cr в количестве от 1 до 35% в сумме. Эти элементы резко повышают жаростойкость ниобия. Но их нельзя использовать длительное время в обычной атмосфере без специальных защитных покрытий.

4. Относятся малолегированные сплавы с карбидным упрочнением. В качестве легирующего элемента используется Zr с отношением концентраций Zr и C примерно 10:1 [2].

Для повышения прочностных характеристик Nb обычно легируют тугоплавкими металлами, образующими с ним твёрдые растворы. Влияние легирования на предел прочности показано на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Влияние легирующих добавок на предел прочности рекристаллизованного Nb при 1095˚С [2]

Сравним сплавы с разным содержанием циркония:

сплав Nb+2%Zr при 1200°С обладает 100-часовой прочностью, равной 96МПа, и удельной прочностью, равной 22,6 МПа/(г/см³) [13];

сплав Nb+1%Zr при 1200°С обладает 100-часовой прочностью, равной 115МПа, и удельной прочностью, равной 30 МПа/(г/см³) [13].

Из главы 2: выбрана основа Nb+1%Zr

Элементы W, Mo, Zr, Hf, V; W, Mo более значительно упрочняют ниобий, чем Hf, V. Однако Ti, Hf, V при присадке до 5-10% дают пластичные сплавы и повышают прочность до уровня близкого к требуемому уровню прочностных свойств при Т=20°С, в то время как W, Mo уже при содержании 5-10% вызывают сильное охрупчивание и соответственно повышение температуры перехода в хрупкое состояние. Наиболее сильно охрупчивающее действие оказывает W (рисунок 5.2), а следовательно и снижает вязкость и технологичность разрабатываемого материала. В связи с этим далее этот легирующий элемент не будет рассматриваться. Также учитывая, что Hf достаточно дорогой материал, а значительного преимущества перед легированием другими материалами не показывает, то его также можно не рассматривать.

Рисунок 5.2 - Влияние легирующих элементов на температурный порог хрупкости ниобия [1]

Дата добавления: 2015-09-04