Большая советсткая энциклопедия Ниобиевые сплавы

Ниобиевые сплавы

Ниобиевые сплавы, сплавы на основе ниобия. Первые промышленные Н. с. появились в начале 50-х гг. 20 в., когда для новых областей техники потребовались материалы, способные работать при температурах выше 1000 °С. Наряду с высокой температурой плавления Н. с. обладают хорошими технологич. свойствами и низкой по сравнению со сплавами на основе др. тугоплавких металлов (Mo, W, Ta) плотностью. Предел хладноломкости малолегированных Н. с. находится ниже температуры жидкого азота. Все эти свойства дают возможность применять Н. с. для теплонагруженных деталей ракет, космических летательных аппаратов и самолётов специального назначения. Небольшое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и хорошая стойкость в контакте с жидкометаллическими теплоносителями делают Н. с. ценным конструкционным материалом атомных реакторов. Н. с. стойки в ряде кислот и др. химических реагентах. Однако Н. с. окисляются при нагреве на воздухе и в др. окислительных средах выше 400 °С, вследствие чего для работы в указанных условиях эти сплавы должны применяться с защитными покрытиями. При 1100 °С скорость окисления Н. с. на воздухе 30—120 г/(м²·ч) [нелегированного ниобия 300—350 г/(м²·ч)]. Н. с. с защитными покрытиями силицидного типа окисляются при 1100 °С со скоростью 0,2—0,4 г/(м²·ч). По физическим свойствам Н. с. мало отличаются от нелегированного ниобия. Сочетание низкого коэффициента линейного термического расширения (8,42·10^-6 при нагреве от 20 до 1100 °С) и высокой теплопроводности [при 1100 °С ок. 59 вт/м·К), или 0,14 кал/сек·см °C)] обеспечивает крупным деталям из Н. с. с защитными покрытиями высокое сопротивление термической усталости.

Основные легирующие элементы Н. с. — Mo, W, V образуют с Nb непрерывный ряд твёрдых растворов, прочность которых выше, чем нелегированного ниобия; кроме того, Н. с. легируются Zr или Hf и С или N. Образующиеся в этом случае малорастворимые в твёрдом растворе высокостабильные карбиды и оксиды и в некоторых случаях оксикарбонитриды вызывают дополнительное упрочнение сплава в результате механического торможения его ползучести.

Модуль упругости Н. с. имеет невысокие значения (таблица), но не снижается с повышением температуры до 1100 °С. Предел длительной прочности за 100 ч при 1100 °С среднелегированных Н. с. (5—10% W или 3—5% Mo, 1—2% Zr или Hf) 100—150 Мн/м² (10—15 кгс/мм²), а высоколегированных Н. с. (15—20% W или 10—15% Mo, 1—2% Zr или Hf, 0,1—0,4% С) 280—300 Мн/м² (28—30 кгс/мм²).

Механические свойства среднелегированных ниобиевых сплавов (средние значения) в горячедеформированном состоянии (степень деформации 70 — 75%).

Н. с. получают путём плавки в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом, электроннолучевых и плазменных печах, обеспечивающих достаточную чистоту металла (главным образом по элементам внедрения — О, N, Н, С) для сохранения его пластичности. Первую деформацию Н. с. производят при 1200—1600 °С (нагрев в нейтральной среде, в вакууме или в обычной атмосфере печи при условии нанесения на нагреваемые полуфабрикаты специальных защитных эмалей). Деформацию полуфабрикатов в основном производят на воздухе (при 800—1200 °С). Для гомогенизации и дегазации слитки Н. с. подвергают вакуумному отжигу при 1500—2000 °С в течение 5—10 ч с последующим отжигом при 1300—1350 °С в течение 10 ч в вакууме (1·10^-4 мм рт.ст. и выше). Для снятия напряжения деформированные полуфабрикаты Н. с. нагревают при 1000—1100 °С в течение 0,5—1 ч, а для рекристаллизации — при 1350—1450 °С в течение 0,5—1 ч. Освоена вакуумная прокатка листов.

Среднелегированные Н. с. хорошо обрабатываются давлением, из них готовят поковки, прессовки, штамповки, листы, фольгу и трубки различных размеров (вплоть до капилляров). Эти сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием, свариваются аргонно-дуговой, контактной и электроннолучевой сваркой. Прочность сварного шва составляет не менее 90% от прочности основного металла в рекристаллизованпом состоянии. Пластичность сварных соединений выражается углом загиба до появления первой трещины (на оправке с радиусом, равным толщине свариваемого листа) и составляет при аргонно-дуговой сварке в камере с нейтральной средой 120—180°. Среднелегированные Н. с. свариваются с малолегированными медными, титановыми и циркониевыми сплавами и паяются с др. металлами с применением специальных припоев.

Наряду с жаропрочными Н. с. важное значение приобрели сплавы Nb с Zr, Sn и Ti, являющиеся сверхпроводниками. Критическая плотность тока Н. с. зависит от вида деформации, режима термической обработки и направления магнитного поля. Сверхпроводящие Н. с. применяются в мощных ускорителях, квантовых генераторах, отражателях горячей плазмы в термоядерных установках и т.д. Технология производства полуфабрикатов из сверхпроводящих Н. с. (проволока, лента, трубы и др.) сходна с технологией производства жаропрочных Н. с.

Лит.: Ниобий и его сплавы, Л., 1961; Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, под ред. А. Т. Туманова и К. И. Портного, М., 1967; Титц Т., Уилсон Дж., Тугоплавкие металлы и сплавы, пер. с англ., М., 1969.

Г. В. Захарова.