Жаропрочные, жаростойкие и композиционные материалы

Свойства тугоплавких металлов

Главной характеристикой тугоплавких металлов является их жаропрочность. Они прочны при экстремально высоких температурах и твёрдые по своей природе. Также эти металлы обладают высокой устойчивостью к таким факторам, как термический шок. Это означает, что они не будут растрескиваться, расширяться или испытывать механические напряжения при многократном охлаждении и нагревании.

Все элементы этой группы обладают высокий плотностью, а также хорошими тепловыми и электрическими свойствами. Они также устойчивы к ползучести, поэтому очень медленно деформируются при воздействии внешней напряженной среды. Минимальная ползучесть объясняется способностью образовывать защитный противокоррозионный слой, который сохраняет целостность даже при высоких температурах.

Конкретные температурные характеристики этих металлов довольно сильно различаются, потому что они происходят из разных групп периодической таблицы.

Например, самый тугоплавкий металл – это рений, температура плавления которого составляет 3186°C, при температуре точки кипения 5596°C. Сопротивление ползучести обычно варьируется в пределах 500…10000С.

Химические свойства тугоплавких металлов также разнообразны. Как правило, эти металлы легко окисляются, но реакцией окисления можно управлять, создавая стабильные слои оксида поверх основного металла. Тем не менее, все тугоплавкие металлы устойчивы к воздействию кислот.

Рассматриваемые химические элементы обладают не только высокими температурами плавления, но и высоким уровнем твёрдости при комнатной температуре.

Достоинства и недостатки

Свойства жаропрочных сталей делают незаменимым этот материал в таких сферах, как ракетостроение и космическая отрасль, сложное двигателестроение, авиапромышленность, производство ключевых элементов газовых турбин и многих других. Их доля в прокате высокотехнологичной стали достигает 50%. Некоторые сплавы способны работать при температуре свыше 7000° С.

Этот сложный в производстве материал, изготовление которого невозможно без специального оборудования и квалифицированного персонала, имеет высокую себестоимость. Использование подобных сталей не может быть универсальным, поэтому для его эффективного применения необходимо наличие развитой научно-технической базы.

Технологии производства

Высокие температуры плавления предопределяют порошковую металлургию основным способом получения конечной продукции.

Обычно вопрос о том, какие металлы – тугоплавкие, решается тем, к какой из трёх категорий они относятся:

• Твёрдые сплавы;
• Оксидные или карбидные дисперсно-упрочненные материалы;
• Материалы с легированными свойствами.

Так, все продукты на основе вольфрама и большая часть молибденовых продуктов перерабатываются с помощью порошковой металлургии, поскольку из-за высокой температуры плавления, они не могут быть произведены методом распыления. Таким образом, процессы химического восстановления и электролиз — единственные практические методы.

Порошки, полученные электролитическим способом из водных электролитов или в расплавленном состоянии, имеют высокую чистоту и активны во время спекания. Однако у них есть следующие недостатки:

• Для удаления из электролита остаточных примесей необходима очистка;
• Процесс часто является дорогостоящим, потребляя много электроэнергии из-за низкого КПД по току;
• Процесс ограничен производством чистых металлических порошков, так как этим методом невозможно производить порошки сплавов.

Восстановителями, используемыми в большинстве процессов, являются углерод и водород — в их элементарной форме, либо в виде газообразных соединений или смесей (углеводородов, крекинг-аммиака или монооксида углерода).

Ещё недавно для производства молибдена и его сплавы применялось вакуумное литьё, однако в современных производствах и здесь используется порошковая металлургия. Эффективность восстановления металлического порошка зависит от:

• Требуемой энергии активации;
• Химического состава и степени дисперсности металлопорошка;
• Скорости потока восстанавливающего газа – водорода.

Порошковая металлургия — единственный путь производства сплавов, компонентами которых являются тугоплавкие металлы, в том числе, и на уровне нанопорошков. Среди различных методов, исследуемых для производства тугоплавких наносплавов — традиционный путь реакции газ-твердое тело, реализация которого позволяет производить наноструктурированные порошки в значительных количествах и с широкими возможностями обеспечения качества.

Важно подчеркнуть, что высокотемпературные технологии порошковой металлургии позволяют изготавливать материалы по индивидуальному заказу. Правильно подобрав исходный материал, можно соответствующим образом контролировать состав конечного продукта.

Третий способ – использование 3D-печати. Это активно развивающаяся технология, которая идеально подходит для производства легких, высокостабильных компонентов из вольфрама, молибдена, ниобия, тантала и их сплавов со сложной геометрической структурой.

Нанопорошки тугоплавких металлов получают следующими способами:

1. Селективным лазерным спеканием.
2. Селективным лазерным плавлением.
3. Электронно-лучевым плавлением.
4. Прямым осаждением.
5. Быстрым прототипированием.

Ключевыми преимуществами металлических порошков, распыленных газом, являются идеально сферическая форма, отличная воспроизводимость, низкое содержание оксидов.

Получение тугоплавких материалов

Основная трудность, встречающаяся при получении тугоплавких металлов и сплавов, это их высокая химическая активность, которая мешает быть элементу в чистом виде.

Установка для получения тугоплавких металлов

Наиболее распространенной технологией получения считается порошковая металлургия. Существует несколько способов получить порошок тугоплавкого металла.

1. Восстановление с помощью триоксида водорода. Такой метод включает в себя несколько этапов, оборудование для обработки — это многотрубные печи, с диапазоном температур от 750 до 950 °С. Данный способ применяется для получения молибдена и вольфрама.
2. Восстановление водородом из перрената аммония. При температуре около 500 °С, на заключительном этапе, полученный порошок, отделяют от щелочей с помощью кислот и воды. Применяется для получения рения.
3. Соли различных металлов также применяются для получения порошка молибдена. Например, используют соль аммония металла и его порошок не более 15% от общей массы. Смесь нагревается до 500-850 °С при помощи инертного газа, а затем технология производства предусматривает провести восстановление водородом при температуре 850 — 1000 °С.

Производство тугоплавких металлов

Полученный этими способами порошок в дальнейшем подвергают к спеканию в специальные формы, для дальнейшей транспортировки и хранения.

На сегодняшний день, эти способы получения чистых тугоплавких металлов продолжают дорабатываться и применяются новые техники извлечения материала из горных пород. С развитием ядерной энергетики, космической отрасли, металлургии, мы в скором времени сможем наблюдать появление новых методов, возможно более дешевых и простых.

Виды и области применения

Благодаря своим уникальным качествам тугоплавкие металлы очень полезны для различных областей применения и отраслей. Их основные преимущества:

• Сверхвысокая точка плавления. В частности, к тугоплавким металлам относятся вольфрам, молибден и тантал, которые применяются при производстве стекла;
• Прочность при сверхвысоких температурах. Например, конусы ракет, сделанные из вольфрама, имеют вдвое большую прочность на разрыв, чем железо при нормальных температурах;
• Превосходная стойкость к истиранию и износу, что позволяет продлить срок службы седел клапанов, уплотнений, форсунок и других участков, подверженных сильному износу;
• Отличная коррозионная стойкость, поэтому особо ответственные трубопроводы на химических предприятиях обычно изготавливаются из тугоплавких металлов;
• Устойчивость к тепловому удару. В частности, вольфрамовые изделия могут противостоять нагрузкам, вызванным быстрым расширением из-за резких перепадов температуры;
• Тепловая и электрическая проводимость, вследствие чего из вольфрама и молибдена изготавливают детали радиаторов;
• Чрезвычайная твердость, поэтому высокостойкий режущий штамповый и бурильный инструмент производят из карбида вольфрама;
• Высокая плотность тугоплавких металлов – причина их применения при изготовлении головок клюшек для гольфа и авиационных гироскопов.

Кроме того, эти материалы используются в качестве катализаторов химических реакций, при процессах ядерного синтеза и т.д.

К тугоплавким металлам относятся получившие особое распространение вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и хром. Об особенностях их применения – далее.

Вольфрам

Вольфрам — самый распространенный среди тугоплавких металлов. Он имеет самую высокую температуру плавления и одну из самых высоких плотностей. Обладает также высокой устойчивостью к коррозии. Широко используется в проволочных волокнах, например, в большинстве ламп накаливания, используемых в домах, а также в промышленных дуговых лампах и прочей технике для освещения.

Молибден

Молибден — наиболее используемый тугоплавкий металл из всех, потому что он дешевле, чем большинство других, и, когда он превращен в сплав, может быть очень устойчивым к ползучести и высоким температурам. Он также не образует амальгам, что делает его устойчивым к коррозии.

Молибден используется для упрочнения стальных сплавов, особенно в конструкционных трубопроводах и насосно-компрессорных трубах. Этот металл также обладает отличными антифрикционными качествами, что делает его идеальным компонентом масел и смазок, используемых в автомобилях.

Ниобий

Обладает оптимальным сочетанием пластичности и прочности. Его можно использовать при изготовлении электролитических конденсаторов, сверхпроводников, ядерных реакторов и электронных ламп.

Тантал

Более других устойчив к коррозии, поэтому находит применение в медицине (особенно – хирургии), а также в средах с повышенной кислотностью. Тантал также является основным компонентом компьютерных, телефонных и конденсаторных цепей.

Рений

Известен своей высокой прочностью на разрыв и пластичностью. Он широко используется в ядерных реакторах, гироскопах и других электрических компонентах. Из-за своей редкости рений очень дорог. Понятие коррозионной стойкости особенно актуально именно для рения, потому что он очень летуч. Может терять устойчивость к воздействию кислорода при высоких температурах, поскольку оксидный слой активно испаряется.

Рений и сплавы на его основе

Какой металл самый тугоплавкий после вольфрама? Это рений. Его показатель плавкости составляет 3186 оС. По прочности превосходит и вольфрам, и молибден. Пластичность его не слишком высока. Спрос на рений очень велик, а вот добыча составляет сложности. Вследствие этого он является самым дорогим металлом из существующих на сегодняшний день.

Применяется для изготовления:

• реактивных двигателей;
• термопар;
• нитей накаливания для спектрометров и прочих устройств;
• как катализатор при нефтепереработке.

Все области применения дорогостоящие, поэтому он используется только в случае крайней необходимости, когда заменить чем-либо другим возможности нет.

Где применяется вольфрам?

Широко используют соединения вольфрама. Их применяют в машиностроительной и горнодобывающей промышленностях, для бурения скважин. Из данного металла благодаря его высокой прочности и твердости изготавливают детали двигателей летательных аппаратов, нити накаливания, артиллерийские снаряды, сверхскоростные роторы гироскопов, пули и т.д. Также вольфрам успешно применяется как электрод при аргонно-дуговой сварке. Не обходятся и такие отрасли промышленности без соединений вольфрама – текстильная, лакокрасочная.

Как был открыт данный металл?

Самый тугоплавкий металл в мире открыл ученый из Швеции К.В.Шееле (в 1781г.). Ему удалось синтезировать триокись вольфрама (именно так и был назван наиболее легкий из металлов), растворив руду в азотной кислоте. Пару лет спустя чистейший металл был получен химиками из Испании – Ф.Фермином и Х.Хосе де Элюаром, которые выделили его из вольфрамита. Однако в те времена данное открытие не особо впечатлило человечество, а все потому, что не существовало нужных технологий для обработки полученного металла.

Особенности материалов с жаропрочными свойствами

Жаропрочные стали и сплавы, как уже говорилось выше, способны успешно эксплуатироваться в условиях постоянного воздействия высоких температур, при этом не проявляя склонности к ползучести. Суть этого негативного процесса, которому подвержены стали обычных марок и другие металлы, заключается в том, что материал, на который воздействуют неизменная температура и постоянная нагрузка, начинает медленно деформироваться, или ползти.

Ползучесть, которой и стараются избежать, создавая жаропрочные стали и металлы другого типа, бывает двух видов:

• длительная;
• кратковременная.

Для определения ползучести сплавов в иследовательских центрах используют комплекс испытательных машин

Чтобы определить параметры кратковременной ползучести, материалы подвергают специальным испытаниям, для чего их помещают в печь, нагретую до определенной температуры, и прикладывают к ним растягивающую нагрузку. Такое испытание проводится в течение ограниченного промежутка времени.

Проверить материал на его склонность к длительной ползучести и определить такой важный параметр, как предел ползучести, за короткий промежуток времени не получится. Для этого испытуемое изделие, помещенное в печь, необходимо подвергать длительной нагрузке. Важность такого показателя, как предел ползучести материала, заключается в том, что он характеризует наибольшее напряжение, которое приводит к разрушению разогретого изделия после воздействия в течение определенного промежутка времени.