Жаропрочный сплав на основе молибдена

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе монокристаллов тугоплавких металлов, используемых в качестве оболочек термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП), и других электровакуумных приборов, требующих высокой стабильности свойств материала при повышенных температурах. Цель - улучшение физико-механических и технологических свойств в монокристальном состоянии. Сплав содержит, мас.%: ниобий - (0,5-10,0), углерод - (0,00005- 0,005), кислород - (0,0005-0,005), азот -

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sI)5 С 22 С 27/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2220052/02 (22) 20,05.77 (46) 15,11.92. Бюл, ¹ 42 (71) Научно-производственное обьединение

"Луч" (72) А.А.Ястребков, Н.Г.Афанасьев, Г.А.Рымашевский, В.А.Репий и Л,Е.Кошкин (56) Булгак Л.В. и др. В сб. Структура и свойства монокристаллов тугоплавких металлов. M.: Наука, 1973, с.10 — 16.

Булгак В.В. и др, В сб, Металлические монокристаллы. М.: Наука, 1976, с. 108 — 112, (54) ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ

МОЛИБДЕНА (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе монокристаллов тугоплавких металлов, используемых в качестве оболочек термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП), и других электровакуумных приборов, требующих

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно сплавов на основе монокристаллов тугоплавких металлов, используемых в качестве оболочек ТЭП и других электровакуумных приборов, требующих высокой стабильности свойств материала при повышенных температурах.

Известно, что нелегированные монокристаллы тугоплавких металлов, в частности молибдена, обладают целым рядом преимуществ перед поликристаллами, но имеют сравнительно низкую жаропрочность, Одним из способов повышения жаропрочности является легирование.

Известны ряд сплавов, которые обладают Ы 1775486 Al высокой стабильности свойств материала при повышенных температурах. Цель— улучшение физико-механических и технологических свойств в монокристальном состоянии. Сплав содержит, мас. : ниобий — (О, 5 — 10, О), у гл е род — (0,000050,005), кислород — (0,0005 — 0,005), азот— (0,0005 — 0,005), молибден — остальное. Сплав обладает следующим уровнем свойств: при

20 С; о Х =(46,0 — 51,0) кгс/мм, ob,ã = (30 — 41,0) кгс/мм, д = (16 — 40), ф = (25 — 40)96. при

1700 С; о = (3,2 — 12,0) кгс/мм, o0,2 = (2,3—

11,0) кгс/мм, д = (20 — 30) 7;, ф = (40 — 100) ь.

При 1800 С и напряжениях 4,0 кгс/мм сплав обладает скоростью ползучести

3,3 10 g,/÷, время до разрушения составляет 4,0 ч, При 2000 С и напряжении 2,0 кгс/мм скорость ползучести составляет 5 10 %/÷, время до разрушения составляет 4,3 ч, 2 табл. повышенной жаропрочностью, однако, это упрочнение либо незначительно, либо получено за счет выделения большого количества дисперсных частиц, которые при высоких температурах могут коагулировать. в результате чего сплав разупрочняется.

Из описанных в литературе монокристальных молибденовых сплавов, по составу ингредиентов наиболее близок к заявляемому, сплав Мо — 0,1 Nb — 0,18 Zr—

0,03 С. Данный монокристальный сплав имеет самую высокую жаропрочность из известных монокристальных молибденовых сплавов. Вместе с тем, компоненты сплава— углерод (в значительном количестве) и цир1775486

15

25

40

55 коний сильно ухудшают эмиссионные свойства монокристаллов молибдена, что является отрицательным фактором при использовании сплава в качестве эмиссионного материала в ТЭП, При испарении этих компонентов, которые являются легколетучими, возникает сильная пористость, что приводит к ухудшению конструкционных свойств материала. Упрочнение обусловлено выделением частиц второй фазы и поэтому при высоких температурах (например, технологические отжиги выше 1600 С), возможна коагуляция частиц и, как следствие, разупрочнение сплава, Кроме того, присутствие второй фазы затрудняет выплавку сплава в монокристаллическом состоянии и нанесение вольфрамовых монокристальных покрытий из-за появления паразитных зерен.

Целью данного изобретения является создание монокристального молибденавого сплава, который обладал бы высокой жаропрочностью и сохранял стабильными свойства при температурах до 1800—

2000 С, кроме того, обладал бы хорошими эмиссионными и технологическими свойствами.

Для достижения указанной цели предлагается сплав, где в качестве легирующих компонент монокристаллов молибдена входят углерод, азот, кислород и ниобий, при этом содержание ингредиентов должна быть в следующих соотношениях, мас.%:

Ниобий 0,5 — 10

Углерод 0.00005 — О,G., э

Кислород 0,0005-0,005

Азат 0,0005-0,005

Молибден Остальное

Электронно-лучевой плавкой был получен ряд сплавов, в которых концентрация ниобия, углерода, кислорода и азота менялась в широком интервале. Концентрацию элементов внедрения (С, О, й) регулировали содержанием этих элементов в исходных заготовках и режимами зоннай плавки (числа проходов, скорость прохода и т.п.), концентраци о ниобия регулировали введением лигатуры. В таблицах 1 и 2 приведены свойства манакристаллов сплавов с различным содержанием ниабия, имевших концентрацию С, N и О, равную 0,001 вес.% каждого.

Монакристаллы были выращены с ориентацией (100) наиболее неблагоприятной с точки зрения пластичности и тем не менее имеют высокий уровень пластичности (табл.1).

Для сравнения в табл.1 приведены свойства сплава Mo — 0,1 Nb — 0,18 Zr — 0,03 С, ориентация которого (110), т.е, наиболее пластичная.

Сплавы данной ориентации показывают высокую пластичность. Например, сплав

Mo — 3 Nb, при комнатной температуре имел относительные сужения и удлинения, соответственно, 100 и 40%. Сплавы, содержащие 6% ниобия и более. превосходят по жаропрочности все известные монокристальные сплавы на основе молибдена, в том числе и сплав — прототип (табл,1). Например, сплав Мо — 6 Nb имеет предел текучести 7,8 кгс/мм при температуре 1700 С, в то время кэк сплав Mo — 0,1 Nb — 0,18 Zr—

0,03 С имеет такой же предел текучести при более низкой температуре — 1600 С, Монокристальные сплавы сохраняют высокую жаропрочность до температуры 2000 С (табл.2), Значение работы выхода сплавов ва всем диапазоне концентраций имеет такое же значение как и нелегированные монокристаллы молибдена и превосходит прототип. Следует отметить, что именно совокупность всех предлагаемых компонентов и придает новый комплекс свойств сплаву в монокристальном состоянии, При этом сплав в своей основе остается однофэзным (электронно-микроскопическими и металлографическими исследованиями практически не было выявлено вторых фаз). Таким образом, сплавы обладают в полной мере свойствами, присущими монокристаллам молибдена и дополнительно имеют высокую жаропрачность, что позволяет применять их в качестве материала оболочек

ТВЭЛов реактора ТЭП, а также использовать как жаропрачный материал для конструктивных элементов электровакуумных приборов, нагревательных устройств и др.

Экспериментально установлено, что оптимальные свойства сплавы имеют при садержании углерода — 0,005-0,00005; азота и кислорода — 0,005-0,0005 (современные методы анализа позволяют определить содержание элементов внедрения с чувствительностью 1 . 104 — 1 10 5 вес.%). При больших концентрациях этих элементов сильно ухудшается технологичность сплава, эмиссионные свойства, При меньших падает жарапрочность.

Использование ниобия в качестве легирующей добавки целесообразно с 0,5 до 10 вес,%.

Концентрации ниобия менее 0,5% незначительно повышают жарапрочность, а введение более 10% резко ухудшает пластичность сплавов, трудно получить сплав монокристальным, ухудшаются технологичность сплава, эмиссионные свойства. При меньших падает жарапрачность, Исполь1775486

Таблица 1

Таблица 2 зование ниобия в качестве легирующей добавки целесообразно с 0,5 до 10 вес. .

Концентрация ниобия менее 0,5 незначительно повышает жаропрочность, а введение более 10 резко ухудшает пластичность сплавов,.трудно получить сплав монокристальным, ухудшаются технологичность и эмиссионные свойства материала.

Таким образом, предлагаемый сплав более легко получить в монокристальном виде, по сравнению с прототипом, сплав более жаропрочен и имеет лучшие эмиссионные свойства.

Формула изобретения

Жаропрочный сплав на основе молибдена, содержащий ниобий, углерод, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью улучшения

5 физико-механических и технологических свойств в монокристальном состоянии, он дополнительно содержит кислород и азот при следующем соотношении компонентов, мас, :

10 Ниобий 0,5 — 10,0

Угле род 0,00005-0,005

Кислород 0,0005-0,005

Азот 0,0005-0,005

Молибден Остальное