Металлургия рения

Палант А.А.

Наука, 2007 г.

ПРИМЕНЕНИЕ  РЕНИЯ  В КАЧЕСТВЕ  ЛЕГИРУЮЩЕГО  ЭЛЕМЕНТА   В СПЛАВАХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Позитивное влияние на рост производства рения в 1970-1980-х годах оказало его широкое и крупномасштабное использование в жаропрочных никелевых сплавах и в платинорениевых катализаторах различного назначения. Вместе с тем и потребности в новых материалах традиционных областей применения рения - электроники и специальной металлургии -стимулируют интерес к этому металлу со стороны промышленности и науки. По технической классификации рений - типичный тугоплавкий металл, однако по ряду свойств он значительно отличается от других тугоплавких металлов, таких как молибден или вольфрам. По характеристикам рений в некоторой степени приближается к благородным металлам типа платины, осмия, иридия. Условно можно считать, что рений занимает промежуточное положение между тугоплавкими металлами, с одной стороны, и металлами платиновой группы  с другой. Например, в отличие от вольфрама, рений не вступает в так называемый водяной цикл - негативное явление, вызывающее повреждение нити накала вакуумных ламп [7, 236, 241]. Именно поэтому вакуумная лампа, изготовленная с рениевой нитью, является практически «вечной» (срок ее службы - до 100 лет).

По аналогии с платиновыми металлами рений обладает высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в агрессивных средах. Он почти не взаимодействует при обычных температурах с соляной и серной кислотами. Как вольфрам и молибден, рений парамагнитен, но его удельное электросопротивление в ~3,5 раза больше, чем у этих металлов.

Особенно отличаются механические свойства рения. Он характеризуется высокой пластичностью при комнатной температуре и по величине модуля нормальной упругости занимает третье место после осмия и иридия. Это связано со структурой металла: рений - единственный элемент среди тугоплавких металлов пятой и шестой групп Периодической системы Д.И. Менделеева (ванадий, ниобий, тантал, хром, вольфрам, молибден), имеющий гексагональную плотноупакованную решетку (ГПУ), аналогичную решетке благородных металлов, например осмия или рутения. Другие тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден) характеризуются иным структурным типом на базе объемноцентрированной кубической решетки (ОЦК).

Свойства рения при повышенных температурах также выгодно отличаются от свойств других тугоплавких металлов. Так, хотя с повышением температуры твердость рения, как у вольфрама и молибдена, уменьшается, однако размягчение идет не столь быстро и при температуре 1000 °С рений имеет твердость в ~2 раза большую, чем вольфрам в подобных условиях. Кроме того, при высоких температурах рений характеризуется повышенной длительной прочностью по сравнению с вольфрамом и особенно молибденом и ниобием. По прочности на истирание рений стоит на втором месте после осмия.

Эти уникальные свойства рения, а также ряд других подробно рассмотрены в работах [236, 240-243]. Они определяют эффективность легирования рением различных металлов и сплавов с целью повышения их пластичности, износостойкости и иных параметров.

В научно-технической литературе описано большое число двойных и многокомпонентных сплавов рения с различными металлами [236,240,241]. Это широко известные сплавы типа никель-рений, вольфрам-рений, молибден-рений, никель-молибден-рений, никель-тантал-рений, никель-вольфрам-рений и ряд других.

В настоящее время наибольшее распространение по масштабам производства получили сплавы никель-рений, вольфрам-рений и молибден-рений, причем по некоторым свойствам сплавы рения с вольфрамом и молибденом превосходят свойства индивидуальных металлов. Такие сплавы обладают высокими механическими характеристиками при комнатной и повышенной температурах, формоустойчивостью и вибропрочностью, не охрупчиваются после кристаллизации, хорошо свариваются, образуя плотный пластичный шов. Их отличает высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Сплавы рения применяют как конструкционный материал в различных условиях эксплуатации при высоких температурах (>1800 °С) и напряжении, в качестве ответственных деталей электровакуумных устройств, материала электроконтактов, упругих элементов различных приборов и механизмов и т.п. Свойства рениевых сплавов с тугоплавкими металлами и никелем описаны выше (см. табл. 9), а в табл. 88 обобщены некоторые физико-механические свойства сплавов вольфрам-рений и молибден-рений.

Сплавы никель-рений применяют в авиации, используют в качестве кернов оксидных катодов, отличающихся повышенной надежностью и долговечностью. Легирование никеля рением приводит к улучшению его прочностных характеристик при сохранении пластичности. Данные сплавы обладают также высокой жаропрочностью, вибропрочностью и формоустойчивостью.

В последние годы российскими учеными разработаны новые супержаропрочные ренийсодержащие никелевые сплавы с уникальными свойствами для рабочих лопаток и дисков авиационных и энергетических газовых турбин. Это три группы никель-рениевых сплавов.

1. Жаропрочные никелевые сплавы, содержащие 9-12% Re, для изготовления рабочих лопаток турбин, работающих при температурах до 1100 °С.

2. Интерметаллидные никелевые сплавы (1-2% Re) на основе соединения Ni₃Alдля изготовления лопаток турбин, работающих при температурах до 1250 °С.

3. Жаропрочные никелевые сплавы (1-2% Re) для изготовления дисков турбин, работающих при температурах 850-950 °С.

Таблица 88

Некоторые физико-механические свойства сплавов рения с вольфрамом и молибденом

Рениевые сплавы по праву относят к материалам новой техники, значение которых постоянно возрастает. Спрос на них носит устойчивый характер, даже в условиях повышающихся цен и нестабильности рынка других металлов. Металлургической промышленностью ряда развитых стран (США, ФРГ, России, Великобритании, Франции, Японии, Польши и др.) выпускается широкая гамма сплавов рения. Теоретическим и практическим аспектам получения рениевых сплавов с заданными физическими свойствами посвящен ряд монографий, обзоров и фундаментальных исследований (см., например, [240-242]).