книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России

Продолжение табл. 8

В табл. 9 приведены некоторые данные о свойствах сплавов, разработанных в России и за рубежом.

61

Таблица 9 Механические свойства ниобиевых сплавов

62

Окончание табл. 9

Сплавы на основе ниобия характеризуются высокотемпературной прочностью, обладают меньшей пластичностью, чем чистый ниобий, хорошо свариваются.

Ниобий легируют молибденом, вольфрамом, титаном, ванадием, цирконием, хромом, гафнием, танталом, алюминием, добавляют кремний, бор и другие элементы. Жаропрочные и окалиностойкие ниобиевые сплавы создают на основе систем Nb–W–Ti или Nb–Mo–Ti при содержании менее 27 % W, менее 20 % Мо и менее 10 % Ti. Хорошими упрочнителями ниобия при 1095 °С являются ванадий и цирконий. Однако присадка более 5 % циркония и 1 % ванадия значительно снижает пластичность ниобия. При содержании более 14 % Тi скорость упрочнения уменьшается. Это, возможно, объясняется тем, что титан понижает температуру плавления ниобия. Вольфрам и молибден значительно повышают прочностные свойства ниобия. Практически пределами легирования ниобия обычно являются 15 % W и 4 % Мо.

63

Сплавы тантала. Основное достоинство сплавов на основе тантала (табл. 10) – сочетание высокой прочности (при t < 2000 °С), высокой температуры плавления (~ 3000 °С), высокой пластичности с хорошей обрабатываемостью и свариваемостью. Сплавы тантала значительно превосходят другие материалы на основе тугоплавких металлов по низкотемпературной пластичности.

Из тантала и его сплавов производят бесшовные и сварные трубы, листы, проволоку, другие полуфабрикаты и изделия.

Наиболее изучены и перспективны конструкционные жа-

ропрочные сплавы FS-6 (10 % W), Та-782, Hf-473 (7 % W, 3 % Rе), Та-111 (38 % W, 2 % Hf), Та-222 (9,6 % W; 2,4 % Нf,

64

0,010 % С) и ТаЗNb7,5V (30 % Nb; 7,5 % V). Легирование тан-

тала вольфрамом и молибденом значительно повышает его прочностные характеристики и снижает пластичность. В системе Та-W наилучшие механические свойства у сплава FS-6. Сохраняя достаточно высокую технологическую пластичность, этот сплав в рекристаллизованном состоянии имеет σв = = 295 МПа при 1200 °С.

Сплавы с большим содержанием вольфрама плохо обрабатываются, а сплавы системы Та–Nb хорошо обрабатываются во всем интервале концентраций Nb. Повышение прочности двойных танталовых сплавов достигается введением гафния, рения, молибдена, ванадия, вольфрама. Эти же элементы наиболее эффективно повышают температуру рекристаллизации сплавов.

Из танталовых сплавов наиболее высокую температуру рекристализации (1600 °С) имеет сплав Та – 20 % W. Несколько ниже температура рекристаллизации (1500 °С) у сплавов Та – 15 % W и Та – 10 % W – 0,063 % С.

У сплава Та – 10 % Нf – 5 % W хорошее сочетание прочности и пластичности при 20 °С, прочность его по сравнению с другими танталовыми сплавами при 1200 °С наибольшая. Самыми жаропрочными танталовыми сплавами являются его сплавы с вольфрамом и рением.

Сплавы циркония. Большое внимание в РФ и за рубежом уделяется разработке сплавов на основе циркония с целью улучшения механических свойств и повышения коррозионной стойкости. Благодаря малому сечению захвата тепловых нейтронов (0,18 барн) и высокой стойкости при облучении, циркониевые сплавы нашли широкое применение в качестве конструкционных материалов (трубы, прутки, листы, полосы) в ядерно-энергетических установках.

Наиболее эффективными упрочняющими добавками циркония являются ниобий, тантал, молибден, олово, титан. Наибольшее применение в промышленности получили сплавы сис-

тем Zr–Sn–Fe–Ni, Zr–Nb–Sn, Zr–Sn–Ti, Zr–Sn–Mo.

65

Сплавы на основе хрома. Хром и его сплавы применяют

вкачестве конструкционных материалов в виде разных полуфабрикатов и изделий. Однако широкому применению хрома

вкачестве конструкционных материалов препятствовала его хрупкость при комнатной температуре, обусловленная влиянием примесей внедрения: кислорода, углерода, которые образуют с хромом твердые растворы. Для повышения жаропрочности и жаростойкости хром легируют Ti, V, Zr, Y, Hf, W, Ni в количествах, не превышающих их растворимость в твердом хроме.

Все промышленные сплавы хрома условно разделяют на две группы: низколегированные (сплавы ВХ1, ВХ1Н, ВХ2, ВХ2П, сплав 11,2) и высоколегированные сплавы (ВХ4, M140, М142, М146), работающие в диапазоне 1000–1300 °С и выше.

Механические свойства некоторых сплавов хрома приведены в табл. 11.

Сплавы гафния. Гафний имеет температуру плавления 2220 °С и обладает высокой способностью поглощать нейтроны высоких энергий. Заготовки из гафния и его сплавов производят плавкой в вакууме или инертных средах. Гафний обладает достаточной пластичностью при обработке давлением, но

66

быстро нагартовывается при деформации в холодном состоянии. Из гафния производят листы, полосы, прутки, проволоку.

Платиновые металлы и сплавы. К металлам платиновой группы относятся рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платина, плотность которых более 10 г/см3 (табл. 12). Их можно отнести по этому признаку к тяжелым металлам.

Таблица 12

Плотность металлов платиновой группы

Прочные межатомные связи в решетке платиновых металлов определяют высокую тугоплавкость большинства из них. Осмий, иридий, рутений и родий относятся к тугоплавким переходным металлам. Осмий (tпл = 3050 °С) является третьим по тугоплавкости металлом после вольфрама и рения. Благородные тугоплавкие металлы отличаются особыми физико-меха- ническими свойствами: стабильностью электрических свойств, жаростойкостью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Особенно высокой технологической пластичностью обладают палладий и платина, на основе которых разработано большое

67

количество сплавов, имеющих особые физико-механические свойства. Сплавы системы Pd–W и Рt–W наиболее перспективны для разработки контактных материалов. Легирование палладия вольфрамом сильно повышает удельное электросопротивление и прочность при сохранении достаточно высокой пластичности сплавов ПдВ. Так, сплав палладия с 20 % W (ПдВ-20) характеризуется высокой коррозионной стойкостью, износоустойчивостью, технологичностью, стабильностью электрических и служебных параметров при работе в агрессивных средах. Сплав ПдВ-20 применяют для изготовления скользящих контактов электроизмерительной аппаратуры, переменных резисторов высокого класса, реохордов и т.д.

Сплавы платины с 8–9,5 % W являются основным материалом для высокотемпературных тензодатчиков. Сплавы платины с иридием и платины с родием характеризуются высокой стабильностью термоэлектрических свойств и хорошей коррозионной стойкостью и нашли применение в изготовлении высокотемпературных термопар.

Сплавы Pt – менее 30 мас.% Ir являются надежными материалами для изготовления мощных контактов.

Сплавы на основе платины широко применяют в качестве катализаторов в химической промышленности. Так, сплавы Pt – (6–9 %) Ru являются лучшими мембранными катализаторами для реакций гидро- и дегидрогенизации циклогексана. Катализаторы из этих сплавов характеризуются высокой стабильностью и селективностью, позволяют исключить протекание вторичных процессов, загрязняющих продукты реакции, и снизить энергетические затраты.

Металлы платиновой группы применяют в электронной технике, в качестве антиэмиссионных покрытий в электровакуумных приборах, подложек катодов, кернов и т.п. Разрабатываются также конструкционные материалы на основе благородных тугоплавких металлов для работы при высоких температурах, в частности, для стеклоплавильных сосудов.

68

Разработаны иридийродиевые сплавы для работы при t ~ 2000 °С в ракетных установках.

Материалы для атомной энергетики. В соответствии с оценками Международного энергетического агентства потребление энергии в мире в последние десятилетия росло со скоростью 3 % в год. Примерно такой же рост ожидается и в XXI веке.

Определяющими факторами в использовании различных источников энергии выступают запасы энергоресурсов, экономические показатели и экологические последствия их использования.

Ядерная энергетика является важной составной частью производства электроэнергии, в настоящее время переживающего так называемый ядерный ренессанс. В XXI столетии во многих странах мира прогнозируется значительный рост мощностей ядерных энергоблоков (табл. 13). Современная ядерная энергетика – это лучшее, что имеет человечество для целей

Таблица 13

Прогноз развития атомной энергетики на 2030 год – интенсивный вариант

69

производства и поставки дешевой электрической и тепловой энергии на необозримую перспективу, с обеспечением ядерной, физической, экологической и технической безопасности в объемах, соответствующих нуждам общества.

Развитие ядерной энергетики происходило и происходит в жесткой конкурентной борьбе как с традиционными технологиями производства электроэнергии, так и с альтернативными (восстанавливаемыми) источниками.

Ключевыми вопросами такой конкуренции в 21 веке являются безопасность и экономичность (цена за производимую электроэнергию). Именно поведение конструкционных материалов эксплуатируемых и проектируемых ядерных реакторов и определяет в значительной степени безопасную и экономичную работу атомных станций.

Роль конструкционных материалов состоит не только в обеспечении стабильности на весь период эксплуатации геометрии активной зоны, и в первую очередь тепловыделяющих сборок (ТВС) и тепловыделяющих элементов (твэлов), но и в удержании внутри твэла продуктов деления топлива, сохранении работоспособности органов системы управления и защиты (СУЗ) и обеспечении минимальных последствий возможных аварийных ситуаций, т.е., по существу, в решении ключевых вопросов безопасности реакторной установки.

Достижение высоких выгораний топлива ограничивается радиационной стойкостью материалов оболочек и чехлов тепловыделяющих сборок ТВС, а срок эксплуатации реакторов на тепловых нейтронах ограничивается ресурсом материалов корпусов и внутрикорпусных устройств. Разработка конструкционных материалов эксплуатируемых и перспективных ядерных установок представляет собой сложнейшую научно-техниче- скую проблему.

Основным конструкционным материалом активных зон реакторов на тепловых нейтронах с водным теплоносителем являются циркониевые сплавы, обладающие низким сечением

70