Ползучесть ниобиевых сплавов в очень глубоком вакууме

15.11.2019

Введение


Тугоплавкие металлы играют большую роль в авиационно-космической технике как конструкционные материалы для новейших космических электросиловых установок, в частности для турбогенераторов с атомным двигателем. Подробно такие системы описаны в работах. Здесь же необходимо только указать на те особенности, которые заставляют прибегать к использованию тугоплавких металлов в этих целях. Как правило, требующийся ресурс от таких систем весьма велик и составляет 10 000 час или даже больше, а рабочие температуры в таких наиболее совершенных системах сравнительно высоки. Например, в крупногабаритных системах по циклу Peнкина (парожидкостный цикл) оптимальный интервал рабочих температур составляет 705—1205° С. Для газового цикла Брайтона рабочие температуры еще выше (1100—1430° С).

В таких системах тугоплавкие металлы предполагается использовать главным образом в виде трубопроводов для жидких металлов или инертных газов, выполняющих роль теплоносителя и термодинамического рабочего тела. Основные требования, предъявляемые к материалам в подобных устройствах, таковы:

1) достаточное сопротивление коррозионному разъеданию щелочными металлами (в цикле Брайтона не критично);

2) хорошая технологичность, позволяющая изготовлять тонкостенные трубы высокого качества;

3) хорошая свариваемость, способствующая изготовлению надежных герметичных трубопроводов и теплообменников;

4) малая упругость паров для сведения к минимуму изменений химического состава от испарения компонентов сплава в космических условиях;

5) высокая удельная прочность для улучшения весовых характеристик систем.

Важным конструкционным критерием таких материалов, работающих длительное время при высоких температурах, является высокое сопротивление ползучести.

Наиболее перспективными с учетом этих требований надо считать сплавы ниобия и тантала. В Льюисском научно-исследовательском центре проводятся исследования коррозионной стойкости в щелочных металлах и ползучести при длительных испытаниях ниобиевых и танталовых сплавов. В задачу настоящей работы входит изложение результатов исследований и некоторых предварительных испытаний на ползучесть серийных ниобиевых сплавов при длительной выдержке.

Требования в отношении вакуума при длительных испытаниях ниобия на ползучесть


Известно, что ниобий и его сплавы хорошо поглощают такие газы, как кислород, азот, и что эти примеси способны оказывать большое влияние на механические свойства. Проведение длительных испытаний на ползучесть при повышенных температурах требует тщательной подготовки для предотвращения значительного загрязнения образца. Грубая оценка глубины вакуума, требующейся для предотвращения значительного загрязнения ниобия при высокотемпературных испытаниях на ползучесть, может быть произведена исходя из кинетической теории газов. Скорость, с которой молекулы газа ударяются о поверхность, рассчитывается по следующему уравнению:

где G — масса газа, соударяющегося за единицу времени с поверхностью единичной площади (г/см2*сек)\ P — давление (мм pm. ст.); M — молекулярный вес (г); T — абсолютная температура (°К).

Воспользовавшись этой формулой и предположив, что всякая молекула газа, соударяющаяся с поверхностью, взаимодействует с нею и поглощается последней, находим, что при выдержке образца нелегированного ниобия толщиной 0,75 мм при 1095° С и парциальном давлении кислорода 10в-8 мм рт. ст. средняя величина загрязнения образца кислородом составит 1 % за 10 000 час испытаний. Такое сильное загрязнение недопустимо. Ho данных о допустимом повышении содержания кислорода без существенного изменения сопротивления ползучести почти не имеется. Поскольку такие сведения отсутствуют, допустим, что степень загрязнения кислородом при испытаниях не должна превышать 0,01—0,05%. Из формулы (1) следует, что для подобного загрязнения парциальное давление кислорода при 10 000-часовых испытаниях должно составлять (1—5)*10в-10 мм рт. ст. Однако предположение, что все молекулы кислорода, соударяющиеся с поверхностью, поглощаются ею, по-видимому, нельзя считать обоснованным. Исследования сплава Nb—1Zr при 1090 и 1100° С, проведенные в последнее время фирмой «Дженерал электрик» совместно с Льюисским научно исследовательским центром, показали, что вероятность поглощения молекулы газа поверхностью, с которой произошло соударение данной молекулы, равна для кислорода лишь 0,01—0,03 (неопубликованные данные; табл. 17.1). Полное давление в системе может быть несколько выше, чем приведенные в табл. 17.1 значения, потому что весьма сомнительно, чтобы остаточные газы в высоковакуумной системе состояли только из молекул кислорода. К началу данного исследования еще не существовало оборудования для высокотемпературных испытаний па ползучесть при давлении не выше 10в-8 мм рт. ст. Ниже говорится об оборудовании для длительных высокотемпературных испытаний па ползучесть ниобия в глубоком вакууме, разработанном Льюисским научно-исследовательским центром.

Программа исследований ниобиевых сплавов на ползучесть


В настоящее время существует много ниобиевых сплавов, из которых можно изготовлять трубы для космических силовых установок новейших типов. Накопление данных по ползучести всех этих сплавов в условиях длительной выдержки было бы сопряжено с весьма большими расходами и требует длительного времени. Поэтому было решено провести 300 часовые испытания на ползучесть наиболее перспективных ниобиевых сплавов.

Девять сплавов было получено в виде листов толщиной 0,75 мм, шириной 305 мм и длиной 610 мм. Результаты химического анализа листов приведены в табл. 17.2. Образцы для испытаний на ползучесть имели длину 25,4 мм и ширину 6,35 мм. Их вырезали из листов в состоянии поставки и подвергали рекристаллизационному отжигу с целью выравнивания степени наклепа после холодной обработки. Часовой отжиг производили в вакууме 10в-6 мм рт ст. при температуре на 100° С выше температуры полной рекристаллизации за 1 час. Данные о температуре отжига, твердости и величине зерна приведены в табл. 17.3. Все сплавы, кроме D-43, после такой термической обработки обладали структурой с равноосным зерном. Отжиг сплава D-43 привел к росту субзерна с сохранением формы вытянутого зерна.

Основные характеристики установок для 300-часовых испытаний на ползучесть описаны в отчете. Однако для испытаний в вакууме 10в-7 мм рт. ст. при 1095—1315° С эти установки пришлось значительно видоизменить. Основные усовершенствования заключались в устранении из конструкции всех скользящих уплотнений, максимальном сокращении числа кольцевых прокладок, использовании во всех узлах системы прокладок из фторкаучука витон А и снабжении системы автоматической подачей жидкого азота для непрерывной работы охлаждаемой ловушки масляного диффузионного насоса. Радиационный нагрев образца осуществлялся трубчатым нагревателем из тантала. Измерение температуры производили платина — платинородиевыми (13% Rh) или вольфрам — вольфраморениевыми (26% Re) термопарами, прикрепленными к поверхности испытываемого на ползучесть образца. Температуру испытаний поддерживали постоянной с точностью 0,5% с помощью электронного регулятора напряжения. Статическое нагружение образцов осуществляли грузами из нержавеющей стали в вакуумной камере. Деформацию при ползучести измеряли оптически катетометром, наводимым на калибровочные отметки на поверхности образца. Точность измерения деформации составляла ±0,04%.

Испытания на ползучесть проводили при одном и том же напряжении 2,8 кг/мм2, что считалось характерным для установок с жидкими металлами. Испытания всех сплавов проводили при 1205° С, причем более прочные сплавы были испытаны также при 1315° С, а менее прочные при 1095° С. Хотя результаты испытаний позволили построить полные кривые ползучести, все же их удобнее суммировать путем подсчета общей деформации за 300 час при данной температуре (табл. 17.4). Исходя из этих результатов и прочих соображений (целесообразность оценки сплавов с сильно отличающимся составом), для более полной оценки, включая 1000-часовые испытания на ползучесть, были отобраны следующие сплавы: FS-85, D-43, В-66 и GB-752.

Испытания на ползучесть в сверхглубоком вакууме


Для испытания на ползучесть длительностью свыше 300 час в вакууме не выше 10в-8 мм рт. ст. была разработана и изготовлена новая установка (фиг. 17.1 и 17.2). Установка состоит из ряда таких узлов:

1. Вместо масляного диффузионного насоса используется ионный насос мощностью 400 л/сек для предотвращения загрязнения образцов углеродом, образующимся в потоке паров масла при работе диффузионного насоса. Хотя известно, что проникновение масла в аппаратуру можно устранить путем использования соответствующих ловушек, необходимость постоянной работы ловушек является недостатком при весьма длительных испытаниях на ползучесть.

2. Во всех узлах системы используются только металлические (из бескислородной меди высокой электропроводности) прокладки. Резиновые или термопластические прокладки в системе не применяются, так как они могут стать главным источником выделения газов в сверхглубоковакуумных системах. Цельнометаллическая конструкция допускает нагрев системы до 315° С перед началом испытаний в целях удаления газов, адсорбированных на стенках вакуумной камеры. В качестве конструкционного материала во всех узлах системы используется нержавеющая сталь 304, характеризующаяся слабым выделением газов.

3. Статическое нагружение образцов производили вольфрамовыми грузами, находившимися в вакуумной камере, благодаря чему вес грузов можно было измерить с высокой точностью и свести к минимуму возможность неосевого нагружения. Перед установлением температуры испытания и приложением нагрузки грузы находились на подставке, которую удаляли после нагружения сильфонным устройством.

Как и в установках для 300-часовых испытаний на ползучесть, нагрев образцов осуществляли танталовым нагревателем диаметром 32 мм и длиной 203 мм. Деформацию измеряли оптическим катетометром, устанавливавшимся по отпечаткам на образце, которые оставались от испытаний на твердость по Кнупу. Температуру измеряли термопарами и регулировали с помощью надлежащей контрольной и регистрирующей аппаратуры. В целях обеспечения надежности достижения весьма глубокого вакуума камеры перед каждым испытанием на ползучесть проверяли на натекание гелиевым масс-спектрометрическим индикатором.

Практика испытаний на ползучесть на новой установке пока недостаточна. Три 1000-часовых испытания сплавов FS-85 и D-43 успешно завершены, а несколько испытаний еще проводится Установка работает, по-видимому, удовлетворительно. Наибольший вакуум, достигнутый на сегодня при испытаниях на ползучесть при 1095° С, составил 4*10в-9 мм рт. ст. При нагреве образцов до температуры испытания давление обычно повышается до 5*10в-7 мм рт. ст., но быстро снижается при установлении постоянной температуры. После суточных испытаний при 1095° С давление обычно составляет 3*10в-8 мм рт. ст. и медленно снижается при дальнейшей выдержке.

К настоящему времени испытаны в рекристаллизован-ном состоянии (см. табл. 17.3) сплавы FS-85, Nb—1Zr и D-43. Последний испытали также в состоянии после снятия напряжений (часовая выдержка при 1095° С). Такой отжиг для снятия напряжений осуществлялся поставщиком для обеспечения тонкого диспергирования карбидов, так как металл с такой структурой обладает повышенным сопротивлением ползучести. Кривые ползучести при 1095° С и напряжении 7 кг/мм2 приведены на фиг. 17.3.

В описанных условиях сплав FS-85 дал наивысший предел ползучести. Однако удельный вес этого сплава приблизительно на 18% больше, чем у сплава D-43, и на 26% больше, чем у сплава Nb—1Zr. Поэтому в большинстве случаев при сравнении по прочности с другими сплавами это необходимо учитывать. Испытания, предназначающиеся для таких сравнений, проводятся в настоящее время. Для сплавов, указанных на фиг, 17.3, данные о времени, необходимом для достижения 2%-ной полной деформации, приведены в табл. 17.5. Интересно отметить, что сопротивление ползучести образца сплава, отожженного при более высокой температуре, было при данных условиях испытания выше, чем у образца с тонкой дисперсией карбидов. Эти результаты должны рассматриваться как экспериментальные, поскольку данные испытаний весьма ограничены, но по результатам испытаний можно предположить, что больший размер зерна или более стабильная структура, образующаяся после часового отжига при 1430° С, улучшает сопротивление ползучести сильнее, чем в случае мелкодисперсных выделений карбида в металле, отожженном для снятия напряжений. Возможно, что тонкая дисперсная фаза при длительных испытаниях при 1095° С перестает быть стабильной.

К настоящему времени накоплено еще мало данных, чтобы оценить, является ли глубина вакуума, достигаемая в новых установках для испытаний на ползучесть, достаточной. Некоторые сведения об этом содержатся в табл. 17.6, где приведены результаты газового анализа методом вакуумной плавки вырезанных из образцов частей после их испытания на ползучесть. Измерения твердости, проведенные по одной из больших сторон образца, показали небольшое понижение твердости после испытаний. Такие измерения, по видимому, нельзя считать надежным показателем загрязнения кислородом сплавов данного типа. Хотя эти результаты только предварительные, но они все же показывают, что при испытаниях на ползучесть в сверхглубоковакуумных установках обеспечивается гораздо меньшее загрязнение ниобиевых сплавов, чем это наблюдается при испытаниях на обычных установках. Эти данные предполагают, однако, что, по всей вероятности, при существующем методе испытаний не удается ограничить повышение содержания кислорода в ниобиевых сплавах величиной 0,01% при 10 000-часовых испытаниях на ползучесть и в новых сверхглубоковакуумных установках. Полагают, что при небольших изменениях конструкции и метода испытаний эта величина достижима.

Заключение


Проведены испытания на ползучесть в глубоком вакууме девяти технологичных ниобиевых сплавов. Результаты 300-часовых испытаний, проведенных на листовых рекристаллизованных образцах толщиной 0,75 мм при напряжении 2,8 кг/мм2 и температурах 1095, 1205 и 1315° С, показали, что сплавы FS-85 и D-43 обладают лучшим пределом ползучести при данных условиях испытаний. Сплавы В-66 и СВ-752 таким высоким сопротивлением ползучести не обладали, но есть веские основания полагать, что необходимы дальнейшие всесторонние исследования этих сплавов.

Разработана и создана новая сверхглубоковакуумная установка, обеспечивающая вакуум 4*10в-9 мм рт. Cm при 1000-часовых испытаниях на ползучесть ниобиевых сплавов при 1095° С.

При длительных испытаниях, проведенных на новой установке при 1095° С и напряжении 7 кг/мм2, рекристаллизованный образец сплава FS-85 дал полную деформацию ползучести в 2% после выдержки 1400 час. Сплав D-43 обладал меньшим сопротивлением ползучести при этих условиях. Образец, отжигавшийся 1 час при 1427° С, имел после 510 час испытаний деформацию ползучести 2 %, в то время как образец в отожженном состоянии для снятия напряжений и часового отжига при 1205° С достиг 2 %-ной полной деформации ползучести уже за 230 час. В то же время рекристаллизованный образец сплава Nb—1Zr дал деформацию ползучести в 2% уже за 7 час и разрушился через 42 час при тех же условиях испытаний.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна