Ниобий и тантал

Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г., Елютин А.В., Захаров А.М.

Металлургия, 1990 г.

СОВРЕМЕННЫЕ НИОБИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Среди сплавов на базе тугоплавких металлов VAи VIAгрупп 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).

Конструкционные сплавы

Химические составы отечественных конструкционных ниобиевых сплавов представлены в табл. 43 и 44. 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 [51, 58 — 60]. 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.

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 сплавов отражает особенности их химического состава и, следовательно, механические и технологические свойства.

Сплавы низкой прочности.К числу сплавов низкой прочности и, следовательно, повышенной пластичности относятся ВН-2, НбЦ и НбЦУ. Температура начала рекристаллизации их близка к температуре начала рекристаллизации ниобия технической чистоты (1000 — 1100°С), поэтому сплавы имеют преимущества перед нелегированным ниобием лишь при температурах до 1100 - 1150°С. Механические свойства этих сплавов приведены в табл. 45. Основное достоинство сплавов низкой прочности — повышенная пластичность при комнатной температуре (по сравнению с пластичностью сплавов средней и высокой прочности), близкая к показателям пластичности нелегированного ниобия, а также высокая технологичность при горячей и холодной обработке давлением.

Сплавы средней прочности.К этой группе относятся сплавы ВН-2А, ВН-2АЭ и Н65В2МЦ, которые можно успешно применять при температурах до 1200 – 1250°С, а кратковременно - при более высоких температурах. Благодаря умеренному содержанию тугоплавких легирующих элементов (молибден и вольфрам) эти сплавы имеют более высокие температуры начала рекристаллизации (1150 — 1250°С) и прочностные свойства по сравнению со сплавами первой группы, (табл.45).

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

Сплавы высокой прочности. К числу высокопрочных ниобиевых сплавов относятся ВН-2АЭМ, ВН-4, ВН-5А, Н610В2МЦ и Н610В5МЦУ, содержащие повышенные количества тугоплавких легирующих элементов (молибден и вольфрам), а также небольшие добавки циркония и углерода (табл. 43 и 44). 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 - и 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 карбонитридную фазу (твердые растворы легирующих элементов, а также азота в карбидах Nb₂Cи ZrC).

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. Например, средняя скорость окисления ниобиевых сплавов группы ВН при 1100 С на воздухе составляет 40 — 120 г/(м² - ч) [нелегированный ниобий имеет скорость окисления от 300 — 350 до 448 г/(м*ч)] [58, 61]. Поэтому успешная работа этих сплавов в окислительных средах при высоких температурах возможна только при условии их надежной защиты от окисления. Исключение составляет сплав ВН-7, имеющий повышенное сопротивление окислению при температурах до 700 – 750^°С, однако при этих и более высоких температурах этот сплав имеет низкую прочность и как конструкционный материал не используется.

Зарубежные конструкционные ниобиевые сплавы (главным образом, американские) более разнообразны по химическому составу, однако имеют близкие механические и технологические свойства [3,4,51,58,62].

Заслуживают внимания данные [76], согласно которым направленно закристаллизованная эвтектика α + Nb₂Cв интервале температур 20 — 1600°С по удельной прочности (превосходит многие промышленные ниобиевые сплавы. Данная эвтектика обладает высокой термической стабильностью: после нагрева при 1370°С в течение более 250 ч изменений в структуре и механических свойствах этой эвтектики не наблюдается.

Коррозионностойкие сплавы

По сравнению с рассмотренными выше конструкционными сплавами коррозионностойкие ниобиевые сплавы менее многочисленны и относятся главным образом к системе Nb— Та.

Ниобиевотанталовые сплавы обладают достаточно высокой прочностью, исключительно технологичны при обработке давлением, хорошо свариваются различными видами сварки и особенно перспективны для работы в высококонцентрированных (30 - 80 %) кислотах, таких как H₂SО₄, НС1, Н₃РО₄. Для работы в кипящих концентрированных кислотах необходимо применять только нелегированный тантал (см. гл. 6, п. 5), в менее концентрированных и разбавленных кислотах (0,5 — 25 %) высокой коррозионной стойкостью обладает нелегированный ниобий, а также его сплавы с добавками молибдена, титана или ванадия (табл. 46). Нелегированный ниобий пригоден для работы в кипящих растворах кислот H₂S0₄, HCIи Н₃Р0₄ с концентрацией не более 20 - 25 % (скорость коррозии менее 0,1 мм/год). При более низкой концентрации кислот в ниобий можно вводить до 5 — 20 % (по массе) титана или ванадия.

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.