Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты

• Название: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
• Анкор: Целая.doc
• Дата: 30.10.2017
• Размер: 32.33 Mb.
• Имя файла: Целая.doc
• Тип: Учебник; #9974
• страница: 26 из 30

9.4.5 КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА

Ниобий устойчив в минеральных кислотах любых концентраций при обычной температуре, но менее стоек или нестоек в концентриро­ванных соляной и серной кислотах при нагревании до 75…175 °С. Сле­дует отметить стойкость ниобия в царской водке при 20…100 °С.

В разбавленных растворах едкого натра ( 5 % NaОН) при обычной температуре ниобий устойчив, однако при 100 °С – малостойкий. Он достаточно стоек в расплавах натрия и калия высокой чистоты при 1000…1300 °С, в литии—при 1000 °С. Присутствие примеси кислорода в ниобии выше 0,01% резко повышает скорость коррозии, добавки раскислителей (магний, титан, цирконий) – снижают ее.

9.4.6 СПЛАВЫ НИОБИЯ И ИХ СВОЙСТВА

Существенный интерес к ниобию как к новому конструкционно­му материалу с перспективой применения его в ракетной и атомной технике стал проявляться, по существу, лишь в последние годы. В связи с этим начали интенсивно развиваться исследования по изуче­нию свойств сплавов ниобия, а также влияния легирования на стой­кость ниобия к окислению при высоких температурах.

Ниобиевые сплавы находят все большее и большее применение в технике. Уровень научно-исследовательских работ в настоящее время позволил выпустить ряд промышленных сплавов на основе ниобия.

Наиболее распространенным методом получения литых ниобиевых сплавов является выплавка в вакууме в электродуговых печах. Сплавы ниобия с хромом, церием, алюминием и другими металлами с высокой упругостью пара получают в дуговых печах в нейтральной среде. Так как эти сплавы требуют высокого легирования в целях получения жаропроч­ных и жаростойких свойств, то при выплавке их возникает ряд трудно­стей. Одна из них состоит в получении однородного химического состава по сечению слитка. Обработка давлением ниобиевых сплавов более труд­на, чем нелегированного ниобия, вследствие их высокой прочности.

Среди сплавов на базе тугоплавких металлов VА и V1А-групп ниобиевые сплавы — самые многочисленные и распространенные. Существующие ниобиевые сплавы, применяемые в различных об­ластях техники, можно условно подразделить на три группы: конструкционные (жаропрочные), коррозионностойкие и прецизи­онные (с особыми физическими свойствами).

9.4.7 КОНСТРУКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

Химические составы отечественных конструкционных ниобие­вых сплавов представлены в табл. 45. В основном эти сплавы пред­назначены для изготовления различных деформированных полуфаб­рикатов (листы, прутки, поковки, штамповки, трубы и др.). Специ­альных литейных ниобиевых сплавов пока нет, для изготовления отливок используют те же сплавы, что и для деформированных по­луфабрикатов. Из конструкционных ниобиевых сплавов изготавли­вают различные детали и узлы, работающие в конструкциях при повышенных температурах - от 800... 1000 до 1250...1300 °С и выше. Основные легирующие элементы конструкционных ниобиевых спла­вов - молибден, цирконий, вольфрам. В отдельных сплавах к числу легирующих элементов можно отнести углерод (сплавы ВН-2АЭМ, ВН-3 и др.). Для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением) сплавы ВН-4 и ВН-5 раскисляют небольшими добавками РЗМ (редкоземельных элементов).

В зависимости от уровня прочностных свойств конструкцион­ные ниобиевые сплавы подразделяют на сплавы низкой, средней и высокой прочности. Такое деление в значительной степени услов­но, поскольку прочностные свойства сплавов при повышенных температурах существенно зависят от их структурного состояния. Тем не менее эта классификация отражает особенности их хими­ческого состава и, следовательно, механические и технологичес­кие свойства.

9.4.7.1. СПЛАВЫ НИЗКОЙ ПРОЧНОСТИ

К числу сплавов с низкой прочностью, и следовательно повы­шенной пластичностью, относятся ВН-2, НбЦ и НбЦУ. Температура рекристаллизации их близка к температуре начала рекристаллизации ниобия технической чистоты (1000...1100 °С), поэтому сплавы име­ют преимущества перед нелегированным ниобием лишь при темпе­ратурах не выше 1100...1150°С. Основное достоинство сплавов низкой прочности - повышенная пластичность при комнатной тем­пературе (по сравнению с пластичностью сплавов средней и высо­кой прочности), близкая к показателям пластичности низколегиро­ванного ниобия, а также высокая технологичность при горячей и холодной обработке давлением.

9.4.7.2. СПЛАВЫ СРЕДНЕЙ ПРОЧНОСТИ

К этой группе относятся сплавы ВН-2А, ВН-2АЭ и Нб5В2МЦ, которые можно успешно применять при температурах до 1200...1250 °С, а кратковременно - при более высоких температурах бла­годаря содержанию тугоплавких легирующих элементов (молиб­ден и вольфрам). У этих сплавов более высокие температуры на­чала рекристаллизации (1150...1250 °С) и прочностные свойства (табл. 46) по сравнению со сплавами первой группы.

Конструкционные ниобиевые сплавы средней прочности обла­дают достаточной технологичностью при обработке давлением, из них получают разнообразные деформированные полуфабрикаты.

Химический состав ниобиевых сплавов Таблица 45	Содержание примесей, % (по массе)	H	<0,005	<0,005	<0,005	<0,005	<0,050	<0,05	<0,005
		N	<0,04	<0,04	<0,03	<0,03	<0,04	<0,06	<0,05
		О	<0,03	<0,03	<0,02	<0,02	<0,03	<0,04	<0,03
		С	<0,05	<0,08	<0,05					0,06…0,10
	Содержание легирующих элементов, % (объемн.)	прочие				0,05…0,09 С	0,08…0,11 С	0,25…0,4 С 0,01…0,05 La, Ce	0,08…0,15 C 0,015…0.040 La, Ce	3…7 Al
		Zr		0,5…0,9	0,5…0,9	0,5…0,9	0,8…2,0	1,0…2,0	0,5…0,95
		Ti								40
		Mn	3,8…5,5	3,5…4,7	3,5…4,7	6…8	4…5,2	8,5…10,5	5…7
	Марка сплава		ВН-2	ВН-2А	ВН-2АЭ	ВН-2А9М	ВН-3	ВН-4	ВН-5А	ВН-7

9.4.7.3. СПЛАВЫ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ

К числу высокопрочных сплавов относятся ВН-2АЭМ, ВН-4, ВН-5А, Нб10В2МЦ и Нб10В5МЦУ, содержащие повышенные коли­чества тугоплавких легирующих элементов (молибден и вольфрам), а также небольшие добавки циркония и углерода. Поэтому эти спла­вы имеют температуру солидуса не ниже температуры плавления ниобия и более высокие температуры начала рекристаллизации (1200...1300 °С) по сравнению с другими сплавами. Эти сплавы за­метно превосходят сплавы низкой и средней прочности по кратко­временной и длительной прочности и могут успешно работать при температурах до 1250... 1300 °С, а в случае кратковременного ис­пользования - при более высоких температурах.

В отличие от сплавов предыдущих групп сплавы высокой прочности имеют гетерогенную структуру, так как, помимо ниобиевого твердого раствора, содержат в небольших количествах карбидную или карбо- нитридную фазу. Недостаток высокопрочных ниобиевых сплавов - более низкая технологичность при обработке давлением, поэтому производство деформированных полуфабрикатов из этих сплавов сопряжено с из­вестными трудностями. В этой связи наибольшее распространение в со­временной технике в последние годы получили менее прочные, но зато более технологичные ниобиевые сплавы первой и, особенно, второй групп.

Все конструкционные ниобиевые сплавы отличаются невысокой жаростойкостью на воздухе и в других окислительных средах. По­этому успешная работа этих сплавов в окислительных средах при высоких температурах возможна только при условии их надежной защиты от окисления.

9.4 7.4. ПРЕЦИЗИОННЫЕ СПЛАВЫ

Ниобиевые сплавы с особыми физическими свойствами можно разделить на следующие подгруппы: сверхпроводящие сплавы, спла­вы с заданными значениями теплового коэффициента линейного рас­ширения (ТКЛР) и сплавы с высокими упругими свойствами. Наи­большее распространение получили сверхпроводящие сплавы. К спла­вам с заданными значениями ТКЛР относится PH-12, предназначенный для использования в конструкционных электровакуумных приборах вместо дефицитного тантала в спаях со специальным стеклом.

К числу сплавов с высокими упругими свойствами принадле­жат сплав 55БТЮ (37...40 % Ti, 5...6 % Аl, остальное ниобий), обла­дающий наряду с высокими упругими свойствами жаропрочностью и коррозионной стойкостью, а также немагнитностью и малым из­менением модуля нормальной упругости при нагреве. Сплав 55БТЮ предназначен для изготовления пружин ответственного назначения, используется в термически упрочненном состоянии.

9.4.8. ПРИМЕНЕНИЕ НИОБИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

До 60-х годов ниобий применялся главным образом как добавка, улучшающая свойства различных сплавов. Так, 1...5 % ниобия до­бавляют к жаропрочным сплавам в связи с тем, что он повышает их сопротивление ползучести. Добавки ниобия к хромалюминиевым ста­лям предотвращают выделение хрома по границам зерен, благодаря чему уменьшается свойственная им межкристаллитная коррозия. Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, лег­ко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него до­бавлено всего 0,05 % ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет.

Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молиб­ден, цирконий и одновременно - повышает их жаростойкость и жаро­прочность. Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, ракетостроением, машиностроением, радиотех­никой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия. Благодаря достаточной прочнос­ти, пластичности и теплопроводности при температурах выше 1000 °С, сравнительно малому удельному весу и хорошей техноло­гичности ниобий и его сплавы могут быть прекрасным конструкци­онным материалом для реактивных двигателей и ракет. Примене­ние ниобия в качестве конструкционного материала для газотурбин­ных двигателей позволяет поднять температуру газов перед турби­ной выше 1000 °С и, следовательно, обеспечить увеличение мощно­сти двигателя, дальности и скорости полета самолета.

В настоящее время изучается возможность использования нио­бия при температурах около 1400 °С, для изготовления турбинных лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолетов и ракет и для обшивки ракет. Многие исследователи полагают, что рабочую температуру сплавов на основе ниобия можно повысить до 1700 °С.

Уникальное свойство - отсутствие заметного взаимодействия ни­обия с ураном при температуре 1100°С и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения теп­ловых нейтронов, сделали ниобий серьезным конкурентом признан­ных в атомной промышленности металлов - алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использова­нию. Химическая промышленность потребляет сравнительно немно­го ниобия, но это объясняется только его дефицитностью.

Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой тка­ни и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровенос­ных сосудов и даже нервов. В настоящее время ниобий находит все боль­шее применение в электровакуумной технике и электротехнике [60].

Механические свойства ниобиевого сплава Таблица 46

σ1000, МПа

80

180…190

σ100, МПа

140…150 200

90 50

220…250 130

φ, %

ε, %

18…20 45…55 25

35 35

20…25

4…5 10 12 17

22…26 26

σ0,2, МПа

700

620

σв, МПа

750 180…200 80…100 500

400…450 80…100

310…350

200…400 450 300 100

260…300 240…200

t. ºC

20 1200 1500 1000

1100 1500

1100

20 1000 1100 1200 1500

1100 1200

Состояние материала

Прессованный

Холодноката-ный (ε ≈ 90 %)

Рекристалли-зованный

Холодноката-ный (ε ≈80-90%)

Рекристалли-зованный (1300 ºС, 1 час)

Полуфаб-рикат

Пруток

Лист

Лист

Лист

Пруток

Марка сплава

ВН-2

ВН-2А

ВК2А