Жаропрочный сплав на основе молибдена Советский патент 1992 года по МПК C22C27/04 

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно сплавов на основе монокристаллов тугоплавких металлов, используемых в качестве оболочек ТЭП и других электровакуумных приборов, требующих высокой стабильности свойств материала при повышенных температурах.

Известно, что нелегированные монокристаллы тугоплавких металлов, в частности молибдена, обладают целым рядом преимуществ перед поликристаллами, но имеют сравнительно низкую жаропрочность. Одним из способов повышения жаропрочности является легирование. Известны ряд сплавов, которые обладают

повышенной жаропрочностью, однако, это упрочнение либо незначительно, либо получено за счет выделения большого количества дисперсных частиц, которые при высоких температурах могут коагулировать, в результате чего сплав разупрочняется.

Из описанных в литературе монокристальных молибденовых сплавов, по составу ингредиентов наиболее близок к заявляемому, сплав Мо - 0,1 Nb 0,18 Zr - 0,03 С. Данный монокристальный сплав имеет самую высокую жаропрочность из известных монокристальных молибденовых сплавов. Вместе с тем, компоненты сплава - углерод (в значительном количестве) и

сл

Ьь

СО

а

коний сильно ухудшают эмиссионные свойства монокристаллов молибдена, что является отрицательным фактором при использовании сплава в качестве эмиссионного материала в ТЭП. При испарении этих компонентов, которые являются легколетучими, возникает сильная пористость, что приводит к ухудшению конструкционных свойств материала. Упрочнение обусловлено выделением частиц второй фазы и поэтому при высоких температурах (например, технологические отжиги выше 1600°С), возможна коагуляция частиц и, как следствие, разупрочнение сплава. Кроме того, присутствие второй фазы затрудняет выплавку сплава в монокристаллическом состоянии и нанесение вольфрамовых монокристальных покрытий из-за появления паразитных зерен.

Целью данного изобретения является создание монокристального молибденового сплава, который обладал бы высокой жаропрочностью и сохранял стабильными свойства при температурах до 1800- 2000°С, кроме того, обладал бы хорошими эмиссионными и технологическими свойствами.

Для достижения указанной цели предлагается сплав, где в качестве легирующих компонент монокристаллов молибдена входят углерод, азот, кислород и ниобий, при этом содержание ингредиентов должно быть в следующих соотношениях, мас.%:

Ниобий0,5-10

Углерод0,00005-0,0.5

Кислород0,0005-0,005

Азот0,0005-0,005

МолибденОстальное

Электронно-лучевой плавкой был получен ряд сплавов, в которых концентрация ниобия, углерода, кислорода и азота менялась в широком интервале. Концентрацию элементов внедрения (С, О, N) регулировали содержанием этих элементов в исходных заготовках и режимами зонной плавки (число проходов, скорость прохода и т.п.), концентрацию ниобия регулировали введением лигатуры. В таблицах 1 и 2 приведены свойства монокристаллов сплавов с различным содержанием ниобия, имевших концентрацию С, N и О, равную 0,001 вес.% каждого. Монокристаллы были выращены с ориентацией 100 наиболее неблагоприятной с точки зрения пластичности и тем не менее имеют высокий уровень пластичности (табл.1).

Для сравнения в табл.1 приведены свойства сплава Мо - 0,1 Mb - 0,18 Zr - 0,03 С,

ориентация которого 110. т.е. наиболее пластичная.

Сплавы данной ориентации показывают высокую пластичность. Например, сплав

Мо - 3 No, при комнатной температуре имел относительные сужения и удлинения, соответственно, 100 и 40%. Сплавы, содержащие 6% ниобия и более, превосходят по жаропрочности все известные монокри0 стальные сплавы на основе молибдена, в том числе и сплав - прототип (табл,1). Например, сплав Мо - 6 Mb имеет предел текучести 7,8 кгс/мм2 при температуре 1700°С, вто время как сплав Мо-0,1 Mb - 0,18 Zr5 0,03 С имеет такой же предел текучести при более низкой температуре - 1600°С, Монокристальные сплавы сохраняют высокую жаропрочность до температуры 2000°С (табл.2).

0 Значение работы выхода сплавов во всем диапазоне концентраций имеет такое же значение как и нелегированные монокристаллы молибдена и превосходит прототип. Следует отметить, что именно

5 совокупность всех предлагаемых компонентов и придает новый комплекс свойств сплаву в монокристальном состоянии. При этом сплав в своей основе остается однофазным (электронно-микроскопическими и металло0 графическими исследованиями практически не было выявлено вторых фаз). Таким образом, сплавы обладают в полной мере свойствами, присущими монокристаллам молибдена и дополнительно имеют высо5 кую жаропрочность, что позволяет применять их в качестве материала оболочек ТВЭЛов реактора ТЭП, а также использовать как жаропрочный материал для конструктивных элементов электровакуумных

0 приборов, нагревательных устройств и др. Экспериментально установлено, что оптимальные свойства сплавы имеют при содержании углерода - 0,005-0,00005; азота и кислорода - 0,005-0,0005 (современные

5 методы анализа позволяют определить содержание элементов внедрения с чувствительностью 1 - 1 вес.%). При больших концентрациях этих элементов сильно ухудшается технологичность сплава,

0 эмиссионные свойства.

При меньших падает жаропрочность. Использование ниобия в качестве легирующей добавки целесообразно с 0.5 до 10вес,%. Концентрации ниобия менее 0,5% незна5 чительно повышают жаропрочность, а введение более 10% резко ухудшает пластичность сплавов, трудно получить сплав монокристальным, ухудшаются технологичность сплава, эмиссионные свойства. При меньших падает жаропрочность. Использование ниобия в качестве легирующей добавки целесообразно с 0,5 до 10 вес.%. Концентрация ниобия менее 0,5 незначительно повышает жаропрочность, а введение более 10% резко ухудшает пластичность сплавов, трудно получить сплав монокристальным, ухудшаются технологичность и эмиссионные свойства материала.

Таким образом, предлагаемый сплав более легко получить в монокристальном виде, по сравнению с прототипом, сплав более жаропрочен и имеет лучшие эмиссионные свойства.

0

5

Формула изобретения Жаропрочный сплав на основе молибдена, содержащий ниобий, углерод, отличающийся тем, что, с целью улучшения физико-механических и технологических свойств в монокристальном состоянии, он дополнительно содержит кислород и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ниобий

Углерод

Кислород

Азот

Молибден

0,5-10,0

0,00005-0,005

0,0005-0,005

0,0005-0,005

Остальное

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе монокристаллов тугоплавких металлов, используемых в качестве оболочек термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП), и других электровакуумных приборов, требующих высокой стабильности свойств материала при повышенных температурах. Цель - улучшение физико-механических и технологических свойств в монокристальном состоянии. Сплав содержит, мас.%: ниобий - (0,5-10,0), углерод - (0,00005- 0,005), кислород - (0,0005-0,005), азот -

Таблица 1

Таблица 2