Защита танталового сплава от окисления на воздухе при 1930° С

Тантал — весьма перспективный конструкционный материал для изготовления авиационных и ракетных двигателей и космических летательных аппаратов. Однако в присутствии кислорода он быстро превращается при температурах выше 870° С в порошкообразный окисел. К настоящему времени разработаны разные способы защиты тантала от окисления. Надежно защищает тантал от окисления при температурах до 1650° С силицидное покрытие. Недавно было установлено, что покрытие из олова и алюминия эффективно защищает тантал от окисления или, по меньшей мере, ингибирует его окисление.

Олово и алюминий, по-видимому, взаимно растворяются и образуют эвтектику. При нагреве их раствора до 980—1095° С в контакте с танталом на поверхности последнего образуется алюминид TaAl3. При последующей выдержке на воздухе обнаженная поверхность алюминида тантала окисляется с образованием окислов, через которые кислород медленно диффундирует, если он вообще способен диффундировать через них. Непрореагировавшие с танталом олово и алюминий расплавляются при температурах выше 650° С и растекаются иод действием поверхностного натяжения по поверхности танталового сплава. Таким образом, если под воздействием эрозии или ударных нагрузок покрытие разрушится на определенном участке, то натекающий расплав олово — алюминий залечивает алюминидное покрытие на данном участке.

Покрытие системы Sn — Al успешно выдержало испытания при температурах до 1760° С и дало удовлетворительные результаты при нагреве до 1930° С. При температурах выше 1930° С покрытие разрушилось менее чем через 5 мин. Предполагалось, что разрушение покрытия вызвано расплавлением окислов тантала и алюминия.



Испытания. Оценочные испытания проводили в пламени кислородно-ацетиленовой горелки, снабженной водоохлаждаемой головкой, с температурой пламени 3040° С при отношении объемов кислорода и топлива 2,37 и расходе смеси 0,0023 кг/сек. Интенсивность теплового потока составляла приблизительно 94,5 ккал/мг*сек. Температуру образцов измеряли оптическим пирометром. Образцы для оценочных испытаний имели размеры 60,5х49х1,6 мм. Толщина покрытия составляла 25—50 мн. Механические свойства измеряли на машине для испытаний на растяжение. Образцы нагревали, пропуская через них электрический ток. Образцы с покрытием испытывали в спокойном воздухе. Непокрытые образцы испытывали в специальной оболочке, в которой они находились в атмосфере аргона. Были изготовлены, изучены и сфотографированы шлифы поперечного сечения образцов. Дополнительные образцы были исследованы методами эмиссионной спектрографии и рентгеновской дифрактометрии. Высушенные на воздухе покрытия и покрытия после прокаливания исследовали через микроскоп под разными углами падения света на образец.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. В такой динамической среде, как пламенная струя кислородно-ацетиленовой горелки, срок службы образцов сплава 90Та — 10W с покрытием из алюминида олова (фиг. 36.1) достигал при истинной температуре 1760° (табл. 36.1) почти 3 час. Первоначальная величина коэффициента излучения составляла 0,38.

При испытаниях на растяжение образцы с покрытием (фиг. 36.2) выдерживали в течение 5 мин пребывание при температуре 1930° С без всяких признаков окисления подложки. Механические свойства при растяжении были несколько ниже, чем у некоторых образцов при испытаниях в инертной атмосфере. Снижение прочности объяснялось, по-видимому, образованием малопрочного интерметаллического слоя (табл. 36.2).

Покрытие из алюминида олова обнаружило отличную защитную способность и при испытаниях на длительную прочность при 1650 и 1760° С. Длительность этих испытаний составляла 4600—6300 сек под напряжениями 4,9—8,4 кг/мм2 (табл. 36.3 и фиг. 36.3 и 36.4).

Металлографические шлифы, выявляющие структуру кромки образцов, показали, что покрытие состоит из толстого пористого слоя толщиной 50—62 мк, под которым расположен слой покрытия толщиной 33—40 мк. Слой, находящийся на границе раздела подложка — покрытие и состоящий из алюминида тантала TaAl3, имел толщину всего 76 мк (фиг. 36.5).

Измерения твердости по Кнупу подтвердили существование весьма тонкого слоя на границе раздела подложка — покрытие с твердостью 806 ед., в то время как твердость подложки составляла 234 ед. (твердость покрытия равнялась 590 ед., а твердость наружного пористого слоя — 110 ед.).

Как показал спектрографический анализ, наружный слой представлял собой оловоалюминиевый сплав с 3—10% Al. В образцах, взятых ближе к поверхности, содержалось до 5% Ta.

Рентгеноструктурным анализом установлено, что в образцах содержатся окислы Al2O3, Al2O3 — Ta2O5 и в-олово с высокой степенью упорядоченности. Для изучения содержания компонентов по поперечному сечению покрытия был проведен последний анализ. Рентгенограммы поверхности (после очистки поверхности ножом из нержавеющей стали) показали наличие на подложке покрытия системы Al — Sn большого количества хорошо выкристаллизовавшегося в-олова и меньшее количество алюминида тантала Al3Ta.

После зачистки поверхности наждачной бумагой на рентгенограммах было обнаружено большее количество алюминида тантала Al3Ta и достаточно большое количество в-олова. Более глубокая зачистка показала, что концентрация алюминида тантала последовательно возрастает. Интересно отметить, что весьма глубоко в слое покрытия имелось еще небольшое количество непрореагировавшего Р-олова. Никаких следов подложки состава 90Та — 10W не наблюдалось ни на одной рентгенограмме в данной серии испытаний, хотя покрытие ни разу не удалялось с подложки полностью.



Покрытие из алюминида олова представляет собой, по-видимому, весьма хорошее средство защиты тантала и его сплавов от окисления при температурах до 1930° С. Тщательный отбор совместимых компонентов должен повысить потенциальные возможности данной системы.