Высокотемпературные материалы

Мармер Э. Н., Гурвич О.С., Мальцева Л.Ф.

Металлургия, 1967 г.

Развитие отраслей новой техники требует интенсификации рабочих процессов и применения высокотемпературных материалов, работающих в различных средах (агрессивных и инертных), при разнообразных давлениях (от сотен атмосфер до высокого вакуума).

Развитие ракетной техники связано с использованием высоких температур. Материалыкамер сгорания и элементов защитных конструкций ракет при их движении в плотных слоях атмосферыработают при высоких температурах и различных давлениях. Способностьработы этих материалов при еще более высоких температурах определяет мощность и надежность ракет, особенно космических аппаратов с живыми организмами.

В генераторах прямого преобразования тепловой энергии в электрическую Материалы должны работать при весьма высоких температурах (3000—3500° С — для элементов магнитогидродина-мических систем и 1700—2000° С — для термоэлектрогенераторов).

Высокотемпературные Материалы применяют в ракетных двигателях с ядерным горючим, поскольку температуры там достигают до 3000—3300° С.

Высокотемпературные Материалы используются в установках для определения прочностных, электрических и тешюфизических свойств вновь разрабатываемых сплавов и соединений. Естественно, что свойства конструкционных материалов этих установок, к которым относятся детали крепления образцов, пуансоны, подставки, токоподводы и т. п., должны обладать более высокой стойкостью при высоких температурах, чем испытуемые образцы. Поскольку часто исследуют Материалы при температурах выше 2000° С, то упомянутые элементы должны работать при 2500— 3000° С и даже выше, обеспечивая одновременно возможность испытаний в нейтральных, агрессивных и разреженных средах.

В некоторых случаях производствоизделий из высокотемпературных материалов немыслимо без их использования. Например, качественная термообработка и спеканиеизделий из тугоплавких металлов, карбидов и других материалов требуют электротермического оборудования, в котором основные элементы изготавливаются из этих же материалов.

Почти все тугоплавкие Материалы применяются в атомной технике. Ниобий и молибден, а также их сплавы применяются в качестве конструкционного материала. Широкой известностью в ядерной энергетике пользуются графит, окись бериллия, двуокись тория. В связи с работами по прямому превращению тепловой энергии ядерного реактора в электрическую понятен интерес к высокотемпературным материалам в этой отрасли промышленности.

Каждая отрасль промышленности предъявляет к высокотемпературным материалам свои требования. Например, ракетная техника особое внимание уделяет проблемам термостойкости, эрозии и уменьшению веса; испытательная техника — неизменяемости свойств конструкционных материалов в процессе испытаний; электротермические установки — длительному сохранению свойствматериалов нагревателей, экранов, конструкционных материалов в различных средах, особенно в вакууме и т. п.

Изделия из высокотемпературных материалов в основном изготавливаются методом порошковой металлургии. Только за последние 10—15 лет тугоплавкие металлы частично сталипроходить обычный металлургический цикл: плавка, горячая или холодная обработкадавлением с получением сортамента и затем изготовление изделий штамповкой, резанием или сваркой. Правда, в самое последнее время (5—7 лет) появились сообщения о получении отливок из тугоплавких металлов в дуговых или электроннолучевых установках с использованием гарниссажа, но эти работы еще широко не применяются в промышленности.

Технология изготовления изделий из высокоогнеупорных окислов использует различные методы порошковой металлургии: прессование и шликерноелитье с последующим спеканием, горячее прессование. Начали применяться методыплавки очень чистых окислов для получения монокристаллов окиси алюминия и окиси магния для новых областей техники (лазеры, специальные прозрачные детали и т. п.). Плавка окислов часто является необходимой операцией для технологической подготовки материала (плавленые и измельченные окислы алюминия — корракс, магния — пери-клаз), из которого затем изделия приготавливаются обычными методами порошковой металлургии.

Что касается изделий из тугоплавких карбидов, боридов, нитридов и т. п. соединений, то они могут быть получены только методами порошковой металлургии. Одним из основных звеньев порошковой металлургии является высокотемпературный обжиг или спекание; причем качество изделий находится в прямой зависимости от температуры спекания. Оптимальная температураспекания для различных групп высокотемпературных материалов определяется условиями производства.

Тугоплавкие металлы в штабиках подвергают высокотемпературному спеканию (сварке) прямым пропусканием через них электрического тока, величина которого составляет 90% от величины тока, при котором штабик расплавляется. При косвенном нагреве спекаемых изделийтемператураспекания колеблется в довольно широких пределах: для молибдена 1700—2000° С, для вольфрама 2200—2500° С, для ниобия 1900—2300° С и т. д.

Температура обжига высокоогнеупорных окислов тем выше, чем чище исходное сырье. Часто поэтому для получения плотного черепка в керамическую массу добавляют специальные вещества, которые обеспечивают снижение температуры спекания. Но эта добавка снижает качество изделия по его огнеупорности.

Температура спеканияизделий из тугоплавких карбидов TiC, ZrC, HfCпревышает 2000° С, достигая 2500—2700° С для таких карбидов, как NbC, ТаС. При более низких температурах для получения качественных изделий приходится существенно усложнять технологию (перекристаллизация, мелкий помол и т. п.).

Все тугоплавкие металлы, а также графит, тугоплавкие карбиды и нитриды обладают весьма малой жаростойкостью и поэтому требуют защиты от кислорода, паров воды, углекислого газа. Такие тугоплавкие металлы, как тантал и ниобий, реагируют, кроме упомянутых газов, с азотом, водородом и другими газами, исключая инертные.

Бориды и силициды более стойки к агрессивным газам, а еще более стойкими веществами являются высокоогнеупорные окислы.

В книге рассматриваются наиболее важные высокотемпературные свойства.

Из тугоплавких металлов в книге рассмотрены только наиболее распространенные: вольфрам, молибден, тантал, ниобий. Для справок приведены также некоторые свойства такого сравнительно мало применяемого металла, как рений.

Высокоогнеупорные окислы представлены в книге окислами алюминия, циркония, магния, бериллия, тория; двуокись урана, хотя и весьма огнеупорная, здесь не рассматривается ввиду специфичности ее свойств и условий применения.

Применению графита посвящен специальный раздел книги; в частности, рассматриваются его антифрикционные свойства.

Из тугоплавких соединений достаточное внимание уделено карбидам — как наиболее тугоплавким соединениям.

Авторы рассмотрели условия совместной работы упомянутых материалов и условияработы их в разреженных средах.

При высокотемпературных исследованиях чрезвычайно важно правильно измерять температуру, поэтому в книгу включен специальный раздел, посвященный особенностям контактных и бесконтактных методовизмерения температуры.

Авторы надеются, что книга поможет читателю правильно выбирать и применять высокотемпературные Материалы для интенсификации старых и развития новых производственных процессов.