Сплав на основе вольфрама Советский патент 1992 года по МПК C22C27/04 

Изобретение относится к цветной металлургии, производству монокристаллических сплавов тугоплавких металлов и может быть применено в качестве нового конструкционного материала для термоэмиссионных преобразователей.

По комплексу свойств (высокая стабильность структуры, физико-механических свойств, при воздействии высоких температур, коррозионных сред и нейтронного облучения) монокристаллический вольфрам удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам катодов термоэмиссионных преобразователей ядерной энергии (ТЭП), кроме одного - низкая прочность при рабочих температурах изделий (1800°С). Повысить ее можно путем легирования. Однако легирующий элемент не должен снижать стабильность монокристаллической структуры, физико-механические свойства, коррозионную стойкость при нейтронном облучении и высокой температуре.

Известен монокристаллический сплав на основе вольфрама следующего состава, мас.%:

Рений1,0-5.0

ВольфрамОстальное

Недостатком указанного сплава является то, что по мере увеличения содержания рения уменьшается степень совершенства монокристаллического сплава вольфрам- рений (отклонение оси от заданной кристаллографической ориентации превышает 5°) и возникает поликристаллическая структура, что резко снижает стойкость материала при 1800°С.

Наиболее близким по составу из известных вольфрамовых сплавов является сплав состава, мас.%:

Рений1,0-10

Осмий0,1-10

ВольфрамОстальное

Недостатком известного сплава является то, что он имеет поликристаллическую

(Л

С

vj

со

00

ел ю

структуру и не может работать при 1800°С, так как происходит разрушение материала Цель изобретения - уменьшение относительной деформации монокристаллического сплава на основе вольфрама при 1800-2000°С и повышение его термоэмиссионных свойств.

Поставленная цель достигается тем, что монокристаллический сплав на основе вольфрама дополнительно содержит рений и осмий при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Рений1,0-2,0

Осмий0,1-1,0

ВольфрамОстальное

Сочетание трехкомпонентного монокристаллического сплава приводит к получению сплава с новыми свойствами: снижению относительной деформации (от (,2-2,5 до д 0,3-1,1%) при сохранении пластических характеристик в диапазоне рабочих температур 1800-2000°С и повышению термоэмиссионных свойств. Только монокристаллический сплав вольфрам-рений-осмий .может совокупно обеспечить стабильность структуры, физико-ме ханиче- ских свойств при воздействии высоких температур, коррозионных сред и нейтронного облучения.

Получение этих свойств не вытекает из уже известных составов сплавов вольфрам- рений-осмий. В известном сплаве вольфрам-рений минимальное значение относительной деформации при 1800°С (до д 1,3%) приходится на содержание рения в сплаве 5 мас.% и более. Однако при содержании в сплаве рения более 3 мас.% монокристаллическую структуру получить нельзя.

В тройном сплаве вольфрам-рений-осмий снижение относительной деформации при 1800-2000°С максимально при содержании рения 1,5 мас.%. При этом сохраняется монокристаллическая структура сплава, т.е. система проявляет новые свойства, не вытекающие из известной закономерности. Такой же упрочняющий эффект проявляется и в поликристаллическом сплаве вольфрам-рений-осмий, а именно снижение относительной деформации, однако этот эффект проявляется при комнатной температуре. При повышении температуры идет разупрочнение сплава. Поликристаллический сплав не может работать при 1800-2000°С.

В сочетании тройного монокристалли- ческого сплава содержание осмия на уровне 0,5-0,7 мас.% позволяет снизить значения относительной деформации до д 0,3-0.4

мас.% в диапазоне температур 1800- 2000°С, сохранить пластичность, свойственную сплаву вольфрам-рений, и повысить термоэмиссионные свойства. Это связано с тем, что в тройном сплаве вольфрама рений,

образуя соединения с кислородом, обеспечивает раскисление сплава и тем самым повышает пластичность, а осмий, образуя твердый раствор, повышает длительную прочность. При этом структурные характе0 ристики сплава (возможность получения совершенного монокристалла) не изменяются по сравнению с монокристаллами чистого вольфрама.

Предлагаемый монокристаллический

5 вольфрамовый сплав позволяет снизить величину относительной деформации при 1800-2000°С до д 0,3-0,4 % и повысить термоэмиссионные свойства. Интервалы концентраций компонентов сплава подобраны

0 экспериментально. Содержание в монокристаллическом вольфрамовом сплаве рения менее 1,0 мас.% и осмия менее 0,1 мас.% приводит к росту относительной деформации при 1800-2000°С.

5 Повышение содержания в монокристаллическом вольфрамовом сплаве рения более 2,0 мас.% и осмия более 1,0 мас.% приводит к снижению технологических свойств такого сплава за счет нарушения

0 монокристальности сплава..

П р и м е р 1. Компоненты шихты берут в следующем соотношении, мас.%:

Порошок вольфрама97,8

Порошок рения1,5

5 Порошок осмия0,7

Полученную смесь загружают в шаровую мельницу и перемешивают в течение 2 ч. После выгрузки шихты делают навески для прессования в штабики массой - 500,0

0 г. Прессование проводят на гидравлическом прессе при давлении прессования 2 т/см2. Полученные штабики спекают в индукционной вакуумной печи при 1600°С в течение 2 ч. Полученную металлокерамическую заго5 товку загружают в установку бестигелъной зонной плавки. Монокристаллический вольфрамовый сплав получают электронной бестигельной зонной плавкой в вакууме мм рт.ст. Процесс выращивания осуществ0 ляют за 2 прохода зоны и принудительным перемещением затравки. Отклонение от заданной ориентации III на используемой затравке не превышает 1%. Полученный монокристалл сплава вольфрам-рений-ос5 мий имеет следующие соотношения компонентов, мас.%: вольфрам 97,8; рений 1,5; осмий 0,7. Выход в готовую продукцию 53% по вольфраму. Характеристики полученного монокристаллического вольфрамового

сплава: относительная деформация ( д, %), термоэмиссионные свойства (12) при 1800- 2000°С.

кг/мм2

1ч эв

4,91

4,92

4,93

1800°С кг/мм д.% 1.0 0,3 1,20,41

1.5 0,9 1,71,1

1900°С 1,0 0,36 1,2 0,50 1.5 0,93 1.71,22

2000°С1,00,42

1,20,55

1,51,21

1,71,30

Примеры 2-17 осуществляются так же. как и пример 1, изменяя соотношения заявляемых компонентов.

Результаты испытаний образцов приведены в таблице.

Предложенный монокристаллический сплав на основе вольфрама имеет снижение относительной деформации при 1800- 2000°С в два раза по сравнению с базовым объектом и прототипом, при этом у сплава

значительно выше термоэмиссионные свойства по сравнению со всеми известными вольфрамовыми сплавами и вольфрамом. Предлагаемый монокристаллический

сплав может использоваться в качестве конструкционного материала для изделий спецтехники, работающей при 1800- 2000°С,

Таким образом, предложенный монокристаллический сплав на основе вольфрама по сравнению с известными имеет более низкие значения относительной деформации при 1800-2000°С, более высокие термоэмиссионные свойства при 1800-2000°С по

сравнению даже с чистым вольфрамом. Формула изобретения Сплав на основе вольфрама преимущественно для термоэмиссионных преобразователей, содержащий рений и осмий, о тличающийся тем, что, с целью уменьшения относительной деформации при 1800-2000°С и увеличения термоэмиссионных свойств, он имеет монокристаллическую структуру и содержит компоненты в

следующем соотношении, мас.%: рений 1- 2; осмий 0,1-1,0; вольфрам остальное.

Использование: для работы при 1800- 2000°С в качестве конструкционного мате- риала для термоэмиссионных преобразователей. Сущность изобретения: сплав на основе вольфрама, преимущественно для термоэмиссионных преобразователей, имеет монокристаллическую структуру и содержит, мас.%: рений 1-2; осмий 0,1-1; вольфрам остальное. Характеристика сплава: термоэмиссионные свойства при 1800-2000°С 4,91-4,93 эВ, относительное удлинение при 1800°С 0,9% и при 2000°С 1,21% при напряжении 1,5 кгс/мм2. 1 табл.