Псевдосплави вольфраму з міддю

Размещено на http://www.allbest.ru/

псевдосплав вольфрам мідь спікання

Реферат

Псевдосплави вольфраму з міддю



1. Псевдосплави

Псевдосплави - матеріали з обмеженою взаємної розчинністтю, становлять великий інтерес і з точки зору їх додатків, і як унікальних об'єктів для дослідження фізико-хімічних і деформаційних процесів, що відбуваються на міжфазних і міжзернових кордонах.

Псевдосплави відносяться до композиційних матеріалів і отримують спіканням.

2. Спікання

Спікання є звичайно заключною технологічною операцією методу порошкової металургії.

Спіканням називають нагрівання і витримку порошкової формовки при температурі нижче точки плавлення основного компонента з метою забезпечення заданих механічних і фізико-хімічних властивостей.

У процесі спікання заготівля або вільно насипаний порошок перетворюються в міцне порошкове тіло з властивостями, що наближаються до властивостей компактного (безпористого) матеріалу. Спікання у вирішальній мірі визначає кінцеві властивості порошкових матеріалів і виробів.

При нагріванні порошкових формовок або вільно насипаного порошку відбувається складний комплекс різноманітних фізико-хімічних явищ, що протікають одночасно або послідовно. Під час спікання відбувається зміна розмірів, структури і властивостей вихідних порошкових тіл, протікають процеси поверхневої, граничної і об'ємної само-і гетеродіффузіі, різноманітні дислокаційні явища, здійснюються перенесення речовини через газову фазу, хімічні реакції, релаксація мікро-і макронапружень, рекристалізація частинок і ін.

При нагріванні багатокомпонентних матеріалів можливе плавлення-якої складової (але не основи), тоді поява рідкої фази вплине на закономірності спікання. Тому прийнято розрізняти дві основні різновиди процесу спікання: твердофазної, тобто без освіти розплаву в процесі нагрівання, і рідкофазне, при якому будь-які легкоплавкі компоненти суміші порошків або структурні складові матеріалу в процесі нагріву розплавляються.

3. Твердофазне спікання

Твердофазним спіканням називається спікання порошкового тіла без утворення рідкої фази. Спікання може бути як в одно-, так і багатокомпонентних системах.

4. Рідинофазне спікання

Рідинофазним спіканням називається спікання порошкового тіла при температурі, що забезпечує появу рідкої фази.

5. Вольфрам

Вольфрам - найтугоплавкіший метал у природі, його температура плавлення становить 3 683 К (3 410 °С).

Він широко застосовується в електротехніці, електроніці, металургії, ракетній і ядерній техніці. У таблиці 1 наведені його основні властивості.

З таблиці видно, що вольфрам має низькі пружність парів і швидкість випаровування, тому й широко використовуються у виробництві нагрівачів для отримання високих температур, ламп розкалювання.

Для виробів, що піддаються різкому нагріванню до високих температур, дуже важливим є поняття термостійкості.

Крім цих величин велику роль відіграють товщина виробу і форма, а також стан поверхні. Окрім того, теплопровідність з підвищенням температури знижується, а коефіцієнт термічного розширення зростає. Тому за дуже малої теплоємності це призводить до розтріскування вольфрамових деталей у разі різкого нагрівання чи теплового удару. Отже вироби з нього повинні мати певну, не вищу, ніж критичну для конкретного застосування товщину стінки, стержня.

Так, зварювальні електроди не повинні бути товстішими 10 мм, звичайно застосовують восьми міліметрові стержні. Те саме стосується ракетної техніки: товщина облицювання вкладиша критичного перетину сопла твердопаливного двигуна не більша 10 мм, такими ж мають бути і розміри інших деталей, які піддаються різкому нагріванню.

Вольфрам є перспективним матеріалом для теперішніх і майбутніх космічних ядерних установок, що служать джерелом живлення теплових, електричних та інших ракетних двигунів малої тяги, а також для деяких їхніх деталей (відбивач нейтронів, захист від гамма-випромінювань, несучих оболонок високотемпературних ТВЕЛів, електроди в ЕРД, фокусуючи пристрої та ін.)

Одним із недоліків вольфраму є порівняно низька температура рекристалізації: для помірковано наклепаного металу вона становить приблизно 1 800 К, а для дуже обтиснутого - 1 300 К і нижче.

Рекристалізація (укрупнення зерна) характеризується зменшенням межі міцності під час розтягання і, головне, пластичності, причому рекристалізований метал стає дуже крихким. Так, дріт вакуумних вольфрамових нагрівачів після високотемпературного нагріву поводиться наче кераміка.

Уведення в допустимих межах до вольфраму деяких присадок перешкоджає рекристалізації і росту зерна.



Таблиця 1

6. Псевдосплави на основі вольфраму та міді

Мідь та вольфрам не розчиняються один в одному ні в рідкому, ні в твердому стані. Тому на їхній основі можна створювати двофазні композиційні матеріали - псевдо сплави.

Поширені два методи отримання виробів з цих псевдо сплавів:

а) рідиннофазове або твердофазове спікання сцміші компонентів;

б) просочування спеченого пористого вольфрамового каркаса рідкою міддю.

Вибір методу формування спікання залежить від форми деталі, що виготовляється, її призначення, а також вартості й кількості. Для отримання без пористих виробів з W - Cu застосовують багаторазове пресування та спікання. Структура спечених псевдосплавів у цьому разі являє собою пластичну основу з міді, в якій дисперговані частинки вольфраму, - ізольовані або такі, що стискаються.

При високій об'ємній частині вольфраму псевдосплави отримують головним чином шляхом просочування міддю спечених пористих каркасів з вольфраму. Псевдосплави з високим вмістом вольфраму можна отримувати також методом гарячого пресування у присутності рідкої фази. Воно проводиться в інтервалі температур 2 073…2 573 К під тиском від 7 до 25 МПа в прес-формі з графіту.

В твердопаливних двигунах застосовують деталі з вольфрамово-мідних псевдосплавів з високим вмістом вольфраму. Тут розглядатимуться два псевдосплави - АМГ і ВНДС-1М.

Деталі з цих сплавів працюють у виключно жорстких умовах: висока температура горіння палива (близько 3 775 К) і великі швидкості гарячого газу, особливо в критичному перерізі сопла. У зоні критичного перерізу теплові потоки сягають 125 000 кДж/(м*с2). Крім високої теплонапруженості матеріали зазнають на собі хімічної дії продуктів згоряння, які містять водень, азо, пари води й соляної кислоти, СО2, СО, рідких і твердих частинок оксиду алюмінія (Al2O3). Особливо сильну дію виявляють продукти у сполученні Al2O3 - H2O - HCl. Дуже небезпечним є утворення карбіду вольфраму, якщо він знаходиться у контакті з графітом, наприклад у критичному перерізі сопла (рис.1).

Рис.1. Модель соплового вкладиша критичного перерізу:

1 - графіт;

2 - сплав АВМГ;

3 - карбід титану.

Температура плавлення карбіду вольфраму - близько 2 650 °С, а температура евтектичного розплаву W2C + W - ще нижча. Це є дуже небезпечним, оскільки викликає прогар вольфрамової оболонки при температурах, значно нижчих за температуру плавлення вольфраму й температуру горіння палива ( - 3 500 °С).

Як бачимо, температура газового потоку дуже висока, а при надзвукових швидкостях його температура гальмування на поверхні матеріалу буде ще вищою. Отже, щоб захистити матеріал (вольфрам) від надмірного нагрівання й зберегти його працездатність, до вольфрамово-мідних сплавів застосовують так зване транспіраційне охолодження.

У даному випадку «охолоджуючим» компонентом є мідь, яка кипить при температурі 2 630 К і, випаровуючись, відбирає тепло з тонкого гарячого газового шару, що прилягає до робочої поверхні.

Міді властива висока теплопровідність та електропровідність, за якими вона поступається лише золоту та сріблу. З доступом повітря мідь окислюється при температурі вище 700 К, утворюючи оксиди CuO, Cu2O. У псевдо сплавах ці реакції не мають суттєвого значення, бо мідь знаходиться в порах тугоплавкого вольфрамового каркаса.

Найбільш розповсюдженні в РДТП псевдосплави АВМГ (академічний вольфрамово-мідний гарячий (гаряче пресування)) та ВНДС (вольфрамово-нікелевий де формівний сплав).

Псевдосплав АВМГ використовується в якості облицювання вкладишу критичного перерізу сопла (рис. 1), ВНДС - для виготовлення деталей клапанів вдування гарячого газу в закритичну зону сопла.

Оскільки сучасні РДТП мають одне центральне сопло, то на кожному двигуні встановлюється одна деталь зі сплаву АВМГ. Її внутрішній діаметр - не менше як 500 мм, а товщина - не більша як 10 мм, - через це звичайним холодним пресуванням виготовити її з належними розмірами неможливо.

7. Технологія виготовлення облицювання із псевдосплаву АВМГ

Для виготовлення деталей із псевдосплаву АВМГ використовують порошки марок ПВН, ПВТ та ін. Звичайно порошки постачають у закритих металевих банках. Нерозфасовані порошки перед використанням просівають з метою видалення чужорідних частинок.

Для виготовлення облицювання вкладиша одного з РДТП беруть навіску вольфраму в кількості 150 кг і міді 18 кг (12%). Перед змішуванням порошків проводяться лабораторні аналізи: контролюється їхня дисперсність, визначається вміст кисню, домішок кальцію, заліза й інших елементів, насипна вага та деякі інші характеристики.

Оскільки порошки вольфраму й міді належать до важких порошків, то їхнє змішування проводиться у змішувачах типу «п'яна бочка».

Рис. 2. Змішувач типу «п'яна бочка»:

1 - електродвигун з редуктором;

2 - опорний підшипник;

3 - вал;

4 - барабан, що обертається;

5 - камера змішувача;

6 - порошок.

Рис. 2 дає зрозуміти, що камера при обертанні вала немовби перевалюється, а порошок пересипається під дією сили ваги. Швидкість обертання барабана й камери підібрані таким чином, щоб порошок пересипався, а не притискувався до стінок камери під дією відцентрової сили, котра, до речі, в усіх точках порошку різна. Тривалість операції змішування - 36 годин.

Далі суміш порошків вивантажується в спеціальні металеві протвені й піддається хімічному аналізу з метою визначення рівномірності розподілення міді по об'єму.

Наступна операція - завантажування шихти в графітову прес-форму.

На рис. 3 подано схему печі гарячого пресування.

Рис. 3. Схематичний розріз печі гарячого пресування:

1 - рухомий пуансон преса;

2 - графітовий пуансон;

3 - графітова матриця;

4 - спікливий порошок;

5 - формуюча графітова голка; 6 - графітова підставка;

7 - азбестова теплоізоляція;

8 - станина преса;

9 - теплоізоляція (засипка) з двоокису цирконію (ZrO2);

10 - сталевий циліндр;

11 - азбестова теплоізоляція;

12 - індуктор.

Завантажування шихти проводиться в зазор між матрицею 3 і формуючою голкою 5. При цьому пуансон 2 піднятий вгору або відведений вбік. Перед завантажуванням суміш порошків розділяють на 9…10 однакових частин, кожну з яких зволожують етиловим спиртом із розрахунку 10±2 % за масою. Далі кожну порцію частинами по 1/3 маси засипають за допомогою совків та вимірювальної лійки рівномірно по колу в порожнину прес-форми так, щоб шихта потрапила на дно. Кожну порцію шихти доводять до щільності 6 500…7 500 кг/м3, котра контролюється за допомогою лінійки або щупа по висоті маси після трамбування порції.

Після завантажування розрахункової кількості порошку встановлюють графітовий пуансон, який додатково ізолюють засипкою з ZrO2.

Гаряче пресування здійснюється на спеціальних пресах, що вирізняються більшим просвітом преса та ходом пуансона від 1 050 до 1 800 мм, а також загальним зусиллям - 150…200 т (м. Одеса) і 630 т (м. Дніпропетровськ).

Технологічна схема пресування така: за кімнатної температури діють тиском з розрахунку 4…15 кгс/см2, потім температуру підвищують до 1 375..1 575 К і при цій температурі витримують 30…60 хв. Відбувається попереднє спікання вольфрамового каркаса при Т1 за кривою спіканна, наведеною на рис. 3.

Рис. 3. Графік спікання

(ф1=30…60 хв., ф2=0,5…2 год)

Після попереднього спікання порошку при Т1 температуру підвищують до Т2=2 000…2 500 К з одночасним прикладанням тиску від 50 до 250 кгс/см2, витримують в цих умовах упродовж 0,5…2 год. По досягненні розрахункової усадки тиск скидають. Режим спікання залежить від партій порошку - їх кожного разу добирають у лабораторії за зразками. Після скинення тиску електричне навантаження зменшують, температуру знижують зі швидкістю 300…500 К/год. до температури (500±50) К. Подальше охолодження здійснюється із вимкненим індуктором (тобто воно вільне).

Незважаючи на те що при спіканні наявне відновлювальне середовище, в спеченому матеріалі можуть бути присутні оксидні включення, що є концентраторами напруги. Для зменшення в матеріалі вмісту кисню застосовують відновлювальне відпалення у середовищі водню. Режим його: нагрівання деталі до температури 1 225 К зі швидкістю 300…350 К/с, витримування за максимальної температури 2 години. Охолодження вільне у водному середовищі - до 600 К.

8. Недоліки технології гарячого спікання вольфрамово-мідного псевдосплаву

Незважаючи на високу якість виробів, отримуваних із порошків шляхом гарячого пресування, необхідно, однак, звернути увагу на ряд недоліків останнього:

а) утворення карбідового шару на поверхні заготовки;

б) необхідність частої заміни графітової прес-форми;

в) висока вартість виробу.

Але все ж таки слід зауважити, що таку відповідальну деталь, як тонкостінне облицювання вкладиша критичного перерізу сопла маршового РДТП, можна виготовити лише з використанням технології гарячого пресування порошків.

9. Псевдосплав ВНДС-1

У деяких твердопаливних ракетах на маршових двигунах застосовується система керування вектором тяги за рахунок вдування в закритичну частину сопла гарячого газу, який відбирається з основної камери згоряння. Подібні системи застосовувались і раніше, але зі вдуванням «холодного» газу з інших джерел. У закритичну частину центрального сопла вдувається гарячий газ кріз спеціальні клапани, робота яких регулюється системою керування. Усього в цьому соплі встановлено 8 клапанів, у кожному з котрих є по 5 деталей. Оскільки температура газу становить близько 3 600 К, для них також застосований вольфрамово-мідний псевдосплав, тобто і тут має місце транспіраційне охолодження.

Для виготовлення елементів клапана вдування було застосовано метод холодного пресування порошків з подальшим зпіканням. Спочатку отримують пористий вольфрамовий каркас, який потім просочують розплавленою моддю. З метою зниження температури спікання вольфрамового порошку вводять активатор спікання - порошок нікелю в кількості 0,1 % або 100 г на 100 кг вольфрамового порошку. При цьому температура спікання знижується з 2 100 К до 1 850 К.

10. Технологія отримання ВНДС

1. Як і у випадку з АВМГ, проводять такий само хімічний та інший аналізи порошків.

2. Підготовка шихти. Оскільки до 100 кг вольфрамового порошку додається лише 100 г нікелевого, питання щодо рівномірного розподілу останнього по всій масі суміші дуже важливе. У зв'язку з цим змішування компонентів здійснюється в два етапи.

3. Гідростатичне пресування. Шихту засипають в еластичні оболонки з гуми або тонкої жерсті. Якщо заготівка пустотіла, то в оболонку вставляють центральне тіло - болванку (рис. 4). Як гумова, так і металева оболонка повинні бути герметично заварені або запаяні. Потім герметичні оболонки з порошком поміщають у гідростат, заповнений звичайною водою з хром піком (інгібітор).

Рис. 4. Завантажувальний пристрій для гідростатичного пресування:

1 - гумова або металева оболонка;

2 - порошок;

3 - центральне тіло;

4. Спікання порошку. Спікання проводять в індукційній печі заповненій воднем, і як і в разі пресування беруть одразу декілька заготівок (рис. 5).

Слід зауважити, що режим спікання залежить від активності порошку, отже від його партії, підприємства-постачальника та часу зберігання.

5. Попередня механічна обробка. Здійснюється із застосуванням твердосплавних різців типу ВК-6 по внутрішній та зовнішній поверхнях.

6. Контроль густини. Проводиться на зразках з припусків шляхом гідростатичного зважування.

Оскільки матеріал пористий, перед гідростатичним зважуванням поверхню зразка покривають тонким шаром мастила ЦИАТИМ. Середня густина пористої заготівки має дорівнювати 15 000…14 800 кг/м3.

Дуже важливою характеристикою матеріалу й заготівки в цілому є різногустина за об'ємом, оскільки вона впливає на термостійкість клапана.

Рис. 5. Схема печі:

1 - сталева оболонка;

2 - індуктор;

3 - графітовий нагрівач;

4 - опікувані заготівки;

5 - подавання водню;

6 - електроконтакти;

7 - подавання охолоджуючої води;

8 - електрогенератор;

9 - вихід H2 і СО

Для конкретних заготівок був використаний радіоактивний іридій в якості випромінювача енергії. Приймачами служили сцинтиляційні датчики з фотоелектронними помножувачами. Схему контролю подано на рис. 6.

Рис. 6. Схема контролю:

1 - заготівка;

2 - ампула з іридієм-193;

3 - сцинтиляційний датчик з ФЕУ

При контролі заготівка рухається праворуч - ліворуч і повертається по осі. Процес контролю повністю автоматизований. Допустима відмінність за густиною повинна бути ? 0,6 г/см3 (600 кг/м3) при заданій густині. Відмінність за густиною вздовж стінки заготівки перевіряється за допомогою УЗК у тіньовому варіанті (рис. 7).



Рис. 7. УЗК:

1 - джерело ультразвуку;

2 - заготівка;

3 - приймач (датчик).

11. Просочування пористої заготівки міддю

У створенні композиційних матеріалів методом просочування найважливішу роль відіграє явихе змочування твердих тіл рідиною і розтікання рідини по поверхні твердих тіл. Розрізняють імерсійне та контактне змочування. Перше відбувається при повному зануренні твердого тіла в рідину, коли наявна межа розподілу лише твердої й рідкої фази. При контактному змочуванні мають місце три фази: тверда, рідка та газообразна.

Для поліпшення й прискорення процесу просочування використовується явище термоосмосу, при якому рідина тече з більш нагрітих місць до холодніших, а також ультразвук, для провідних рідин - й електричне поле. При просочуванні вольфрамового каркаса рідкою міддю вдаються до спонтанного просочування (вільного).

У залежності від технології отримання й природи використовуваних матеріалів псевдосплави, отримані методом просочування, можуть мати каркасну або матричну структуру.

Після просочування проводять кінцеву механічну обробку й доводять деталей до належної форми та розмірів. Оброблена поверхня піддається люмінесцентному контролю (табл. 2). Категорично заборонене полірування деталей, бо при цьому приховуються дефекти у вигляді тріщин.



Таблиця 2

Необхідно зауважити, що вольфрамовим сплавам властивий крихкий характер руйнування і тільки в інтервалі 800…1 300 К - крихко-в'язкий, а при 2 300 К відбувається в'язке руйнування з невеликим відносним подовженням. Окрім крихкості, вольфрамові сплави вирізняються недостатньою термостійкістю. У зв'язку з цим для виробів з великою швидкістю теплового навантаження існують критичні розміри, котрі підбираються експериментально або розраховуються. Важливу роль у цьому відіграє форма деталі: по можливості слід уникати гострих кутів, різких переходів і відмінностей за товщиною.

Оскільки деталі зі сплаву ВНДС працюють при температурах, вищих за 3 500 К, механічні випробування зразків на розтяг здійснюється в інтервалі температур від кімнатної до 3 275 К. Крім того, від партії найбільш напружених деталей, так званих заслонок клапана, випробовуються готові деталі при температурах до 2 475 К. Усі випробування проводяться у вакуумних камерах із застосуванням спеціальних пристроїв. Зберігаються готові деталі у поліетиленовій упаковці з силікагелем. Маркування: «Обережно - скло!», «Боїться вологості!» або малюнок: келих і парасолька.

Размещено на Allbest.ru

...