Расплав для термообработки тугоплавких металлов

 

Расплав для термообработки тугоплавких металлов, содержащий олово и ниобий, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности защиты от газонасыщения при одновременной очистке от примесей внедрения, он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы, содержащей титан, цирконий, гафний, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Ниобий - 0,2 - 15 Элемент, выбранный из группы, содержащей титан, цирконий, гафний - 1 - 10 Олово - Остальное

Изобретение относится к термической обработке тугоплавких металлов в металлических расплавах, в частности, ниобия и сплавов на его основе, используемых в ядерной и космической технике, авиации и т.д. Известен расплав для термообработки, содержащий олово, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности защиты от газонасыщения ниобия и его сплавов, он дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас. ниобий 0,2-15% олово остальное Этот состав имеет следующие недостатки: 1. Он не очищает тугоплавкие металлы, например, ниобий и его сплавы с одним из элементов из VI А группы (Cr, Mo, W) от примесей, в частности, кислорода. 2. При высоких температурах расплав слабо защищает сплавы ниобия с большим содержанием вольфрама, молибдена или хрома (до 50% и выше). После термообработки в нем сплав представляет собой двухфазную систему, содержащую около 2% частиц окисла Nb₂O₅ сферической формы. Границы зерен имеют следы вторичных фаз. Целью изобретения является повышение эффективности защиты тугоплавких металлов и сплавов от газонасыщения при одновременной очистке их от примесей внедрения. Поставленная цель достигается тем, что в известный расплав вводится по крайней мере один элемент из группы, содержащей титан, цирконий, гафний при следующем соотношении компонентов, мас. Ниобий 0,2-15; Один элемент из группы, содержащей титан, цирконий, гафний 1-10 Олово остальное. Минимальная и максимальная концентрация ниобия в расплаве на основе олова определяется равновесной растворимостью ниобия в олове, легированного одним из элементов из группы: Ti, Zr, Hf при минимальной и максимальной температурах термообработки. Минимальная концентрация элемента из группы: Ti, Zr, Hf составляет 1 мас. Она определяется тем, что при меньших концентрациях защитные свойства расплава не отличаются от прототипа, кроме того, не наблюдается заметной очистки металлов и сплавов, например, ниобия от кислорода. Максимальная концентрация 10 мас. элемента из группы: Ti, Zr, Hf связана с тем, что дальнейшее увеличение концентрации не приводит к существенном повышению способности расплава защищать ниобий и его сплавы с элементом из группы: Сr, Mo, W и очищать их от примеси внедрения, в частности, кислорода. Защитные свойства предложенного расплава основаны на том, что атомы ниобия и по крайней мере одного из элементов Ti, Zr, Hf, растворенные в олове, встречаются с атомами газовых примесей, например, кислорода, если они попадают из среды в расплав, и соединяются с ними, образуя окислы, всплывающие на поверхность. Таким образом расплав ограничивает доступ атомов газовой примеси из среды к образцам. Очистка тугоплавких металлов и сплавов от кислорода происходит вследствие того, что в расплав введен элемент, у которого энергия образования окисла намного выше, чем у окислов, образующихся в твердой фазе. В этом случае происходит десорбция кислорода с поверхности тугоплавкого металла (сплава) и возникает поток атомов кислорода из внутренних слоев к поверхности металла (сплава). Поскольку расплав непрерывно очищается от кислорода за счет удаления окислов, такой поток будет существовать до тех пор, пока химические потенциалы кислорода в твердой и жидкой фазе не выровняются. Элементы титан, цирконий, гафний удовлетворяют указанным выше требованиям. Таким образом, в процессе термообработки происходит не только защита тугоплавких металлов (сплавов) от газонасыщения, но и их очистка от примесей внедрения, например, кислорода. Пример: Образцы сплавов Nb-W с содержанием вольфрама 2,6,9 мас. в виде пластин размером 15х15х1 мм отжигали при температурах 1200, 1300, 1400, 1800^o в течение 15, 30 мин в расплаве олова, легированного ниобием и одним из элементов из группы Ti, Zr, Hf. Содержание ниобия в олове при каждой температуре термообработки варьировали в соответствии с равновесной концентрацией при заданной температуре (0,2 мас. -15 мас.). О достижении равновесия судили по отсутствию коррозии образца при обжиге в расплаве. Если концентрация ниобия в расплаве ниже разновесной, то в процессе термообработки происходит растворение образцов. О величине газонасыщения ниобия судили, изучая структуру и механические свойства сплавов Nb-W после термообработки. Для изучения структуры применяли метод металлографии, электронной микроскопии на фольгах и послойный анализ механически или химически отделенных экстрагирующих угольных реплик, оттененных платиной, рентгеновский структурный анализ. Оказалось, что в структуре сплавов Nb-W после отжига при указанных температурах в расплаве олово ниобий один из элементов из группы Ti, Zr, Hf не обнаруживается следов окислов. Частицы вторичных фаз полностью отсутствуют, границы зерен тонкие, чистые от выделений. Исследования, проведенные на фольгах, также подтверждают отсутствие выделений в структуре материала. В сплавах наблюдалась чистая матрица с хорошо развитой дислокационной структурой, аналогичной дислокационной структуре ниобия очень высокой степени чистоты. Предотвращение газонасыщения подтверждается также исследованием механических свойств и характера разрушения. Все образцы после отжига в предложенном расплаве разрушались вязко, после отжига же в расплаве Sn-Nb (прототип) большую долю в изломе образца составлял хрупкий скол по границам зерна. Как показали результаты экспериментальной проверки, предлагаемый расплав не только полностью защищает от газонасыщения, но одновременно и очищает ниобий и его сплавы от примесей внедрения, в частности, кислорода. Об этом свидетельствуют изменения структуры и механических свойств образцов, предварительно окисленных при отжиге в вакууме. Если после отжига в вакууме образцы, насыщенные кислородом, повторно отжечь в предлагаемом расплаве, то восстанавливается пластичность до уровня, соответствующего образцам, не подвергнутым предварительному окислению. О наличии эффекта защиты и очистки свидетельствует также разница в величине зерна после отжига в расплавах. Так, после отжига образцов сплава Nb 6 мас. W при температуре 1500^o в течение 15 мин. в предлагаемом расплаве Sn + Nb до насыщения + 3% мас. Zr размер зерна составляет 45 мкм, что в три раза выше, чем после такого же отжига в расплаве-прототипе Sn + 5% мас. Nb. Таким образом, результаты экспериментальной проверки показали, что предлагаемый расплав позволяет полностью защитить и одновременно очистить ниобий и его сплавы от газонасыщения в процессе термообработки в широком интервале температур и, тем самым, сохранить исходные высокие свойства материала.

Формула изобретения

Расплав для термообработки тугоплавких металлов, содержащий олово и ниобий, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности защиты от газонасыщения при одновременной очистке от примесей внедрения, он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы, содержащей титан, цирконий, гафний, при следующем соотношении компонентов, мас. Ниобий 0,2 15 Элемент, выбранный из группы, содержащей титан, цирконий, гафний 1 - 10
Олово Остальное