Курсовая работа: Направленная кристаллизация системы Mo-Zr-C

АННОТАЦИЯ

Изучена кинетика формирования высокодисперсных жаропрочных структур в молибденовых сплавах с карбидными фазами, образующихся в процессе направленной кристаллизации. Показано влияние высокого статического градиента на формирование регулярной пространственно-упорядоченной структуры естественного микрокомпозита.Обсуждается влияние этих процессов на эксплуатационные характеристики жаропрочных материалов.

молибден сплав кристаллизация

АНОТАЦІЯ

Вивчено кінетику формування високо дисперсійних жароміцних структур у молібденових сплавах з карбідними фазами, створених у процесі направленої кристалізації. Показано вплив високого статичного градієнту на формування регулярної просторо-упорядкованої структури природного мікро композита.Обговорюється вплив цих процесів на експлуатаційні характеристики жароміцних матеріалів.

ABSTRACT

It is studied formations heat resisting structures in refractory alloys with carbon the phases, formed in the course of the directed crystallisation. Influence of a high static gradient on formation of the regular spatially-ordered structure of a natural microcomposite is shown. Influence of these processes on operational characteristics of heat resisting materials is discussed.

1. ВВЕДЕНИЕ

Повышение жаропрочности сплавов на основе тугоплавких металлов, полученное в последние годы, практически полностью связано с использованием упрочнения в результате введения дисперсных фаз внедрения (карбидов, нитридов и окислов металлов IVA и VA групп) в количестве, определяемом технологичностью и эффективностью получаемых гетерофазных структур. Отличительной особенностью таких сплавов является высокая термодинамическая устойчивость фаз внедрения, температуры плавления которых намного превышают температуры плавления металлического компонента. Добавки в молибден металлов IVA группы образуют в таких сплавах карбиды МеС, играющие роль упрочнителей.

Повышение эксплуатационных характеристик изделий из жаропрочных сплавов, обусловленное их структурой, необходимо для элементов конструкций ядерных реакторов, аэрокосмической техники, высокотемпературного штампового оборудования и износостойких покрытий.

Среди тугоплавких металлов и сплавов на их основе наибольшее применение имеет молибден. Прочностные характеристики молибденовых сплавов обеспечивают возможность их применения для различных изделий (листовых конструкций, накладок, термодатчиков, устройств и т. п.) [3,4]. Эти варианты использования молибденовых сплавов предусматривают, в первую очередь, достаточно хорошую способность к механической обработке и повышенный уровень жаропрочности.

Для увеличения жаропрочных характеристик молибденовых сплавов довольно эффективен принцип создания гетерофазной структуры металла путем совместного легирования достаточно большим количеством углерода и карбидообразующими элементами (Zr, Hf, Ti) [2,6,8].

Микроструктура сплавов определяет их физические свойства, однако кинетика формирования оптимальной структуры слитка образующейся в различных условиях термической обработки изучена недостаточно.

Одним из основных направлений в разработке высокопластичных и технологичных сплавов на основе молибдена является максимальная очистка молибдена от примесей внедрения при одновременном легировании элементами-упрочнителями твердого раствора.

Исключительное морфологическое разнообразие карбидных эвтектик - важной структурной составляющей большинства жаропрочных материалов, покрытий на их основе, их сложная архитектоника, послужила причиной возникновения многих, зачастую противоречивых схем возникновения в них регулярных структур [1,9]. Условия композитной технологии с особой настоятельностью требуют решения задач о формах сопряженного роста фаз. До настоящего времени не получено надежных экспериментальных данных, демонстрирующих микрокартину такой кристаллизации, при которой вторая фаза эвтектики в виде сфероидов или других компактных частиц возникает в результате множественного повторения актов зарождения на фронте или перед фронтом кристаллизации матричной фазы. Теоретически это вполне объяснимо с учетом того факта, что любая тонко дифференцированная, т.е. типично эвтектическая структура, имеющая регулярное или нерегулярное строение, возникает в ходе роста бикристаллических эвтектических колоний [10]. При температурах выше 1800…2000 К тугоплавкие карбиды стабильнее окислов и нитридов, обуславливают эффективность карбидного высокотемпературного упрочнения. Важным фактором, определяющим свойства высокопрочных материалов на ряду со строением, является объемная доля упрочняющих фаз, которая в системах металл-фаза внедрение возрастает в последовательности: окислы, нитриды, карбиды, бориды.

Сплавы на основе тугоплавких металлов используются в качестве высокотемпературных конструкционных материалов, однако из-за неоднородности распределения фазовых составляющих микро- и макроморфологии, температура эксплуатации ограничена в основном до 0,7 Тпл ввиду интенсивно протекающих диффузионных процессов. Поэтому ясна актуальность проблемы создания высокотемпературных материалов обладающих более высокой структурной стабильностью, чем известные традиционные сплавы.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Первые попытки использования молибдена в металлургии стали относятся к концу прошлого столетия. Промышленное производство молибдена началось в 1909-1910 гг., когда были обнаружены особые свойства орудийных и броневых сталей, легированных этим металлом, а также была разработана технология получения компактных тугоплавких металлов методом порошковой металлургии.

2.1 Физические и механические свойства молибдена и его сплавов

Молибден, как и вольфрам, в периодической системе элементов Д. И. Менделеева расположен в VI группе, но в 5-м периоде. Наиболее характерно для него шестивалентное состояние, хотя известны соединения, в которых молибден имеет другие валентности. Его порядковый номер 42; атомная масса 95,95; плотность при комнатной температуре 10200 кг/м3. Молибден относится к тугоплавким металлам, является переходным элементом. Он плавится при 2620±10° С и кипит примерно при 4800 °С. Молибден и его сплавы отличаются также высоким модулем упругости, малым температурным коэффициентом расширения, хорошей термостойкостью, малым сечением захвата тепловых нейтронов. Электропроводность молибдена ниже, чем у меди, но выше, чем у железа. По механической прочности он несколько уступает вольфраму, но легче поддается обработке давлением. Большой интерес авиационной, космической и атомной техники к молибдену и его сплавам объясняется удачным сочетанием физико-химических и механических свойств: хорошая жаропрочность, высокий модуль упругости, малый коэффициент теплового расширения, удовлетворительная термостойкость, хорошая электропроводность при почти вдвое меньшей плотности по сравнению с вольфрамом. Молибден более технологичен, чем W и Сг. Возможность использования сплавов Мо в большей мере определяется его низкотемпературной пластичностью и обрабатываемостью.

При содержании примесей азота, водорода, кислорода < 0,0001 % и 0,0012 % углерода после электронно-лучевой зонной очистки температура хладноломкости равна — 270 °С. Отрицательное влияние кислорода можно существенно снизить введением активных к кислороду элементов (С, В, Al, Ce, Ti, Zr и РЗМ), которые являются раскисляющими присадками, связывающими кислород в тугоплавкие оксиды. В присутствии РЗМ изменяется растворимость кислорода в Мо, образуются летучие оксиды, удаляемые из жидкой ванны. С углеродом Мо образует карбиды Мо2С и МоС, концентрация карбидов по границам зерен способствует в большой мере проявлению хладноломкости. Легирование Re, Fe, Co, Ni, увеличивает растворимость С в Мо, уменьшая склонность к хладноломкости.

Карбидообразующие элементы, образуя дисперсные, термодинамически стабильные карбиды (TiC, ZrC), снижают температуру хладноломкости и увеличивают низкотемпературную пластичность.

С водородом и азотом Мо образует неустойчивые нитриды и гидриды.

Одновременное повышение прочности и низкотемпературной пластичности в молибдене и его сплавах наблюдается при легировании рением — так называемый «рениевый эффект».

Жаропрочность молибденовых сплавов зависит от степени легирования, характера взаимодействия легирующих элементов с основным металлом и технологии их получения.

Работы по созданию молибденовых сплавов направлены на получение сплавов с более высокими значениями температуры рекристаллизации и пониженными значениями температур хладноломкости. Требование достаточной технологической пластичности ограничивает пределы легирования Мо. В качестве легирующих элементов используют Zr, Ti, Hf, Nb, W, которые образуют с молибденом твердые растворы замещения и упрочняют его. Re, в отличие от других легирующих элементов, даже в больших количествах вплоть до 50 % увеличивает характеристики пластичности. Введение W до 30 % незначительно снижает технологическую пластичность. Свойства прессованных изделий из молибденовых сплавов можно улучшить, используя гидроэкструзию. Так, при степени деформации равной 80 %, предел прочности повысился с 800 МПа для исходного горячепрессованного молибдена до 1250 МПа после гидроэкструзии с одновременным увеличением при этом ударной вязкости.

Более высоким уровнем жаропрочности обладают гетерофазные, термически упрочняемые сложнолегированные молибденовые сплавы, но они менее пластичны. В эти сплавы введены углерод и карбидообразующие добавки Ti, Zr, Та, Hf и др. Образующиеся высокодисперсные карбиды TiC, ZrC, HfC способствуют повышению прочности и жаропрочности сплавов. В последние годы интерес представляют высоколегированные сплавы с W, Nb и Re. Существенное повышение длительной прочности благодаря повышению температуры плавления и замедления диффузионных процессов наблюдается при высоком содержании W.

Из дисперсно-упрочненных сплавов предполагается изготавливать носовые обтекатели, рули, теплозащитные экраны. Вольфрам и сплавы на его основе

Молибден и его сплавы применяются в носовых конусах и соплах ракет, вставках критического сечения (спеченный молибден), передних кромках крыла, обшивках конструкций космических летательных аппаратов, радиоантеннах, подшипниках скольжения для работы в расплавленных металлах, оболочках ТВЭЛов, трубках теплообменных аппаратов.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--