Способ изготовления деталей высокотемпературного нагревателя вакуумной электропечи сопротивления из карбида тантала

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу изготовления высокотемпературного нагревателя из карбида тантала для высокотемпературных вакуумных печей сопротивления. Проводят цементацию деталей из тантала в графитовом порошке или в вакууме в среде ацетилена при давлении 2-10 мм рт.ст. при температуре 1800-2200°С в течение 1-3 часов с образованием на поверхности детали слоя из карбида тантала. Упомянутую цементацию проводят от 1 до 10 раз в зависимости от толщины детали и температуры цементации, а после каждой цементации осуществляют вакуумный гомогенизирующий отжиг без графитового порошка или без введения ацетилена при вышеуказанной температуре в течение 3-5 часов при остаточном давлении 0,01-0,1 мм рт.ст. Обеспечивается упрощение изготовления высокотемпературного нагревателя из карбида тантала. 2 ил., 4 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности, к высокотемпературным вакуумным печам сопротивления.

Для высокотемпературных высоковакуумных печей используется нагреватель, изготовленный из вольфрама; нагреватель имеет достаточно сложную форму (Лейканд М.С. Вакуумные электрические печи (сопротивления и индукционные). М.: Энергия, 1966. - 328 с; с. 133, рис. 4-21). Поскольку изготовление таких нагревателей методами порошковой металлургии наталкивается на существенные сложности, обычно нагреватели изготавливаются из готовых прутков диаметром 4…10 мм или листов толщиной 0,1…0,15 мм. Максимальная рабочая температура печей с нагревательными блоками из вольфрама составляет 2500°С (Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 152 с.; с. 6.).

Основной причиной выхода из строя нагревателя является высокотемпературная ползучесть материала, которая протекает при температурах 0,4…0,6 температуры плавления - Тпл.. Скорость установившейся ползучести vпол. при постоянном напряжении подчиняется уравнению:

vпол.=К(exp-Q/RT),

где К - константа, определяемая уровнем напряжений;

Q - энергия активации ползучести;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура при испытаниях на ползучесть.

Отсюда следует, что материал с более высокой, чем у вольфрама температурой плавления (Tпл.W=3422°С), позволит повысить максимальную рабочую температуру печи.

В качестве такого материала может быть использован токопроводящий карбид тантала ТаС, температура плавления которого составляет Тпл.ТаС=3880°С.

В монографии (Косолапова Т.Я. Карбиды. М.: Металлургия, 1968. - 300 с.; с. 149-151) приведены способы получения порошка карбида тантала, которые могут быть классифицированы следующим образом: 1) получение карбида тантала из оксида Ta2O5 (вариант такого способа - предварительное оксидирование поверхности тантала, как это предложено в патенте US 20070059501 А1 опубл. 15 марта 2007 г.); 2) непосредственное насыщение поверхности тантала углеродом, например, сажей; 3) синтез из элементов; 4) осаждение из газовой фазы; получение из танталсодержащих шлаков.

Полученные порошки компактировали методом горячего прессования (температура спекания 2700°С - по данным Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 152 с.; с. 77) с достижением относительной плотности 94-98%.

Недостатками всех перечисленных способов является локализация образования карбида тантала на поверхности изделия или в объеме мелкодисперсных порошков. В этом, последнем, случае для изготовления нагревателя и блока экранов необходима разработка сложной технологии для реализации прессования и спекания; при этом теоретическая плотность, как указано выше, все равно не будет достигнута.

Задача настоящего изобретения состоит в упрощении изготовления высокотемпературного нагревателя из карбида тантала вакуумной электропечи сопротивления.

Поставленная задача решается тем, что для осуществления заявляемого технического решения изготавливают детали нагревателя из тантала и проводят цементацию этих деталей, например, в графитовом порошке или вакуумную цементацию в среде ацетилена давлением несколько (2…10) мм рт.ст., которую ведут n раз (где n выбирают от 1 до 10 в зависимости от толщины детали и температуры) в температурном диапазоне 1800…2200°С в течение 1…3 часов, а между каждой цементацией осуществляют вакуумный гомогенизирующий отжиг без графитового порошка или без введения ацетилена в том же интервале температур в течение 3…5 часов при остаточном давлении 0,01…0,1 мм рт.ст.

Реакции образования карбида тантала:

2Та+С=Та2С

Та2С+2С=2ТаС, -

являются экзотермическими реакциями, энергия Гиббса этих реакций ΔG<0.

Скорость образования карбидов на поверхности изделий из тантала больше скорости разложения карбидов с диффузией углерода в объем изделий. Это приводит к образованию высокого градиента свойств (от поверхности в глубину изделия). Следствием этого может служить повышенная хрупкость образованного слоя карбидов.

Для того чтобы избежать охрупчивания, проводят вакуумный отжиг, который, по сути, является гомогенизирующим, так как происходит "выравнивание" концентрации углерода в объеме.

Выбор технологических параметров определен, исходя из следующих соображений. В работе (Massot L., Chamelot P., Winteron P., Taxil P. Preparation of tantalum carbide layers on carbon using the metalliding process/ Journal of alloys and compounds, 2009, v. 471, issues 1-2, P. 561-566) на стр. 565 в таблице 2 приведены значения коэффициентов диффузии в системе Та - С при трех температурах, что позволяет рассчитать значения этих коэффициентов при любых температурах. Если оценивать пути диффузии X углерода как X~(D*t)0,5, где D - коэффициент диффузии при заданной температуре, a t - время, то за одно и то же время пути диффузии для температур 1500°С, 1600°С, 1700°С, 1800°С, 2200°С относятся как 0,017:0,036:0,073:0,14:1, соответственно. Таким образом, проведение цементации при температуре менее 1800°С приведет к неоправданно высокому времени проведения насыщения тантала углеродом. В соответствие с диаграммой состояния С - Та (Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т. 1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. - 992 с.; с. 762, рис. 440), легкоплавкая эвтектика наблюдается при температуре 2849°С. Однако проведение нагревов в вакууме на температуру выше 2200°С - приведет к существенной сублимации углерода из состава смеси (так, например, при температуре 2300°С парциальное давление углерода составит ≈ 5*10-4 мм рт.ст., а при 2400°С ≈ 2*10-3 мм рт.ст. - расчет выполнен по Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы. М.: Сов. радио, 1975. - с. 216; с. 84 и с. 194 - табл. 1). Время 1-3 час. достаточно для того, чтобы образовался слой карбида на поверхности тантала толщиной 0,1…0,5 мм. Поскольку образование карбида тантала связано с заполнением атомами углерода октаэдрических междоузлий в кристаллической решетке тантала (First-principles study on surface stability of tantalum carbides/ Wen-Li Yang, M. Sygnatowicz, Guang-Hong Lu, a.o./Surface science, 2016, V. 644, №2, P.P. 24-28, P. 28), последующий отжиг приводит к перераспределению концентрации углерода по толщине нагревателя.

Пример 1

Танталовый лист толщиной 0,1 мм помещали в графитовый контейнер, дно которого было покрыто порошком графита толщиной 10…12 мм. Поверх танталового листа насыпали слой графитовый порошка такой же толщины. Контейнер загружали в вакуумную печь сопротивления с нагревательным блоком (нагреватель и футеровка), изготовленным из углеродных материалов. Откачивали печь до давления не выше 5*10-2 мм рт.ст. и включали нагрев (не отключая откачку) до температуры 2000°С. Осуществляли выдержку при этой температуре в течение 1 час. Выключали нагрев, охлаждали печь до комнатной температуры, извлекали контейнер. После удаления графитового порошка в контейнер снова помещали танталовый лист и повторяли процесс с выдержкой в течение 3 час. Таких циклов нагревов с графитовым порошком и без него n=2.

За изменением состава удобно было следить по изменению массы. Для этой цели использовали лабораторные электронные весы AJH - 620 СЕ, точность ± 0,0005 г. Процесс считали завершенным при увеличении массы на 5%. По диаграмме состояния С - Та (Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996. - 992 с.; с. 762, рис. 440) максимальной температуре плавления 3990±40°С соответствует концентрация углерода в системе С - Та, равная 5%.

Результаты представлены на фиг. 1 (кривая 1).

Пример 2.

Танталовый пруток диаметром 4 мм помещали в графитовый контейнер. Все последующие операции соответствовали Примеру 1 с той лишь разницей, что температура составляла 2200°С, время выдержки с графитовым порошком составляло 3 час, а время отжига при той же температуре - 5 час. Количество циклов n=4. Результаты также представлены на фиг. 1 (кривая 2).

Пример 3.

Танталовый пруток диаметром 6 мм помещали в графитовый контейнер. Все последующие операции соответствовали Примеру 1 с той лишь разницей, что температура составляла 1800°С, время выдержки с графитовым порошком составляло 3 час, а время отжига при той же температуре - 5 час. Количество циклов n=9. Результаты также представлены на фиг. 1 (кривая 3).

Пример 4.

Танталовый пруток диаметром 10 мм помещали в графитовый контейнер. Все последующие операции соответствовали Примеру 1 с той лишь разницей, что температура составляла 2200°С, время выдержки с графитовым порошком составляло 3 час, а время отжига при той же температуре - 4 час. Количество циклов n=10. Результаты также представлены на фиг. 1 (кривая 4).

На фиг. 2 приведена рентгенограмма (дифрактометр ДРОН-3, СоКα - излучение) образца при реализации заявляемого способа.

Способ изготовления деталей высокотемпературного нагревателя вакуумной электропечи сопротивления из карбида тантала, отличающийся тем, что проводят цементацию деталей из тантала в графитовом порошке или в вакууме в среде ацетилена при давлении 2-10 мм рт.ст. при температуре 1800-2200°С в течение 1-3 часов с образованием на поверхности детали слоя из карбида тантала, при этом упомянутую цементацию проводят от 1 до 10 раз в зависимости от толщины детали и температуры цементации, а после каждой цементации осуществляют вакуумный гомогенизирующий отжиг без графитового порошка или без введения ацетилена при вышеуказанной температуре в течение 3-5 часов при остаточном давлении 0,01-0,1 мм рт.ст.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу поверхностного упрочнения изделия из нержавеющей стали, никелевого сплава, кобальтового сплава или материала на основе титана. Обеспечивается нагревательное устройство, имеющее первую зону нагрева ниже по ходу от второй зоны нагрева, впуск газа и выпуск газа для прохождения газа через нагревательное устройство, нагрев изделия в упомянутой первой зоне нагрева до первой температуры в диапазоне 185-500°С, нагрев по меньшей мере одного соединения N/C, содержащего азот и углерод, в упомянутой второй зоне нагрева до второй температуры 135-450°С, которая ниже, чем первая температура, для образования одного или более газообразных веществ.

Изобретение относится к науглероженному стальному элементу, способу его получения и цементируемой стали для него. Науглероженный стальной элемент получают с помощью специальных стадий науглероживания, охлаждения и закаливания.
Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к производству различных изделий из платины и сплавов на основе платины, преимущественно к изготовлению ювелирных изделий, монет, медалей, значков.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения алюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты от высокотемпературного окисления внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов.
Изобретение относится к области машиностроения, а точнее к разделу термической и химико-термической обработки деталей из металлов и сплавов. .

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов путем электронагрева их в твердой порошкообразной среде и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости металлов в различных областях промышленности.

Изобретение относится к машиностроению и химии, конкретно к металлообработке и эксплуатации машин и механизмов, в том числе двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к составам для химикотермической обработки порошковых сталей и может быть использовано в машиностроении в качестве состава карбюризатора для низкотемпературной нитроцементации порошковых изделий.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковым смесям для цементации высокохромистых сталей, и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий, работающих в условиях изнашивания.
Изобретение относится к изготовлению компонента газотурбинного двигателя из металлического порошка. Способ включает аддитивное изготовление компонента и его термическую обработку.

Изобретение относится к формированию износостойких покрытий из карбида титана на поверхности изделий из титана или его сплавов и может быть использовано для формирования покрытий на деталях и инструментах, работающих в условиях интенсивного износа, агрессивных сред и высоких температур.

Изобретение относится к изготовлению кольца подшипника. Для упрощения изготовления колец подшипника, повышения твердости, износостойкости, усталостной прочности способ включает стадию формирования кольца подшипника по меньшей мере из одной стальной полосы, имеющей концы, в по меньшей мере один кольцевой сегмент и стадию стыковой сварки оплавлением концов указанного по меньшей мере одного кольцевого сегмента для изготовления кольца.

Группа изобретений относится к способу упрочнения стальных деталей, устройству для осуществления способа и упрочненным в соответствии с этим способом стальным деталям.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении шестерен, крестовин, втулок, зубчатых колес и т.д., в том числе работающих при температуре до 500°C и испытывающих при эксплуатации динамические нагрузки и износ.

Изобретение относится к технологии химико-термической обработки металлов с использованием концентрированных потоков энергии. .

Изобретение относится к устройству и способу науглероживания для обработки предмета и может быть использовано при поверхностной обработке стали. .

Изобретение относится к технологии термической обработки высокочистого железа. .

Изобретение относится к упрочняющей химико-термической обработке металлических деталей концентрированными источниками энергии и может быть использовано при изготовлении деталей из конструкционных материалов.

Изобретение относится к области термической обработки. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу изготовления высокотемпературного нагревателя из карбида тантала для высокотемпературных вакуумных печей сопротивления. Проводят цементацию деталей из тантала в графитовом порошке или в вакууме в среде ацетилена при давлении 2-10 мм рт.ст. при температуре 1800-2200°С в течение 1-3 часов с образованием на поверхности детали слоя из карбида тантала. Упомянутую цементацию проводят от 1 до 10 раз в зависимости от толщины детали и температуры цементации, а после каждой цементации осуществляют вакуумный гомогенизирующий отжиг без графитового порошка или без введения ацетилена при вышеуказанной температуре в течение 3-5 часов при остаточном давлении 0,01-0,1 мм рт.ст. Обеспечивается упрощение изготовления высокотемпературного нагревателя из карбида тантала. 2 ил., 4 пр.

Наверх