Обеспечение стабильности СФС в эксплуатационных условиях

Структура и свойства слитка или отливки определяется выбранным составом, а также условиями их кристаллизации и охлаждения. Скорость кристаллизации при этом определяет наличие неоднородностей макроскопических и микроскопических (дендритная ликвация).

Литой металл с дендритной ликвацией имеет много недостатков. В частности, после деформации дендритная ликвация превращается в полосчатую химическую неоднородность, вызывая значительную анизотропию механических свойств. Также возможно неоднородное распределение карбидной фазы, выделившейся в процессе охлаждения затвердевшего металла преимущественно в местах, переобогащенных соответствующим элементом внедрения.

Наиболее распространенный вид термической обработки тугоплавких металлов и их сплавов - отжиг различного назначения для устранения последствий внутрикристаллической ликвации. Слитки иногда подвергают гомогенизациионному отжигу для повышения технологичности при обработке давлением. Так как примеси внедрения распределяются неблагоприятно по объему зёрен наблюдается низкая пластичность. В слитках углерод, всегда содержащийся как примесь в тугоплавких металлах технической чистоты, располагается преимущественно по границам зерен и в приграничных областях в виде карбидов или сегрегационных скоплений. При гомогенизации происходит выравнивание химического состава твердого раствора и изменение морфологии и количества выделений избыточных фаз. Пластинчатые и иглообразные выделения карбидных и других избыточных фаз при гомогенизации хотя бы частично растворяются, стремясь принять глобулярную форму. Одновременно при гомогенизации могут расти более крупные части в результате растворения мелких частиц и обратного осаждения второй фазы на крупных частицах. При охлаждении после гомогенизации, из-за уменьшения растворимости вторые фазы частично выделяются, также в глобулярной форме.

При гомогенизационном отжиге состав твердого раствора выравнивается, происходит растворение, коагуляция и сфероидизация избыточных фаз. Температуру и длительность гомогенизационного отжига выбирают так, чтобы этого было достаточными для выравнивания химического состава по зерну, растворения и коагуляции избыточных фаз. Слишком высокие температуры и длительные выдержки при отжиге приводят к охрупчиванию материала из-за роста зерна и более интенсивной сегрегации примесей в процессе охлаждения на межзеренных границах. Слитки ниобия и его сплавов гомогенизируют в вакууме (р <10^-2 Па) при 1800—2000 °С. При более высоких температурах происходит интенсивный рост зерна. Длительность отжига составляет 5–10 ч. Гомогенизация уменьшает анизотропию механических свойств.

Основным признаком дисперсионно упрочненных сплавов является способность к старению. Согласно тройной диаграмме Nb-Zr-C (рисунок 6.1, 6.2)карбиды обладают переменной растворимостью в ниобии в твердом растворе, уменьшающейся при понижении температуры.

Рисунок 6.1 - Изотермическое сечение диаграммы состояния Nb-Zr-C [13]

Рисунок 6.2 – Политермический разрез диаграммы состояния Nb-Zr-C по линии

Nb-ZrC [13]

Объемная доля упрочняющей фазы невелика. Теоретически она может достигать в литейных сплавах ~3-5% (объемн.), однако в деформируемых сплавах оно не превышает 1-2%. Такое снижение объемной доли упрочняющей фазы по сравнению с максимально возможным содержанием связано с уменьшением сопротивления деформации при повышенных температурах и повышения низкотемпературной пластичности.

Для образования упрочняющей карбидной фазы углерод вводят в соотношении с карбидообразующим элементом Zr:C»10:1. При содержании в сплаве 0,4% С (по массе) образуется упрочняющая фаза (Nb, Zr)C в количестве 3-5%, а при введении 0,1 (по массе) С это соответствует образованию 1-2% упрочняющей фазы.

Механизм выделения карбидной фазы связан с обработкой на твердый раствор, которая заключается в длительном высокотемпературном отжиге (5-9 ч) при Т=1700°С с последующей закалкой (обеспечивает по возможности равномерное выделение метастабильного карбида Nb₂C в наиболее дисперсном виде) и 50-часовым старением при 1100°С (обеспечивает более полный переход метастабильного карбида в стабильный (Nb,Zr)C).

При данных режимах термической обработки исчезают крупные выделения Nb₂C, а появляются мелкодисперсные и равномерно распределенные в объеме матрицы частицы (размер частиц составляет 15-50 нм), а также обеспечивается оптимальный уровень прочностных и жаропрочных свойств.

Критический размер частиц ZrС, при превышении которого они не могут удержать границы и становится возможным «быстрая» собирательная рекристаллизация, составляет 50 мкм.

Процесс растворения и повторное выделение (при нагреве до Т >1300°С и последующем охлаждении) приводит к росту твердости, прочности и жаропрочности материала. Подобная термическая обработка (либо ТМО) создают стабильную фазовую структуру, обеспечивающую гарантированные свойства сплава при температуре эксплуатации [13].

Обеспечение коррозионной стойкости. Для предотвращения образования твердых растворов и химических соединений в результате взаимодействия конструкционного материала и Pb-Bi необходимо обеспечить чистоту теплоносителя и поверхности конструкционного материала [9].

Обеспечение радиационной стойкости. В качестве борьбы с охрупчиванием применяется рафинирование (уменьшение содержания вредных примесей), например, путем плавки в вакууме и легирование с целью как удержания вредных примесей внутри зерна в виде соединений, так и вывода их из слитка [2].

Дата добавления: 2015-09-04