Сплави на-основа на ниобий: Състав и свойства на сплав C-103 (Nb-10Hf-1Ti)

Какво представляват сплавите-на основата на ниобий?

Сплавите-базирани на ниобий са огнеупорни метални материали, в които ниобият представлява баланса на състава, обикновено 85% или повече от теглото. Ниобият има кубична решетка с тяло-центр, точка на топене около 2469 градуса, плътност 8,57 g/cm3 и, необичайно сред огнеупорните метали, полезна пластичност при стайна температура. Тази комбинация е причината, поради която ниобият е най-лесният от високо-топимите метали за навиване на листове, изтегляне на тел и формоване в сложен хардуер.

Три групи имоти стимулират търговското търсене: много висока точка на топене за хардуер за ракети и пещи, ниско напречно-сечение на поглъщане на топлинни неутрони с нисък преход от-към-крехкост за ядрени и свръхпроводящи услуги и силна химическа устойчивост за технологично оборудване. Следователно сплавите-базирани на ниобий попадат в три практически групи: ниобий с търговска чистота, сплави с твърд-разтвор, укрепени при висока-температура, и свръхпроводящи материали като ниобий-титан и Nb3Sn.

Сплав С-103: Състав и свойства

Сплав C-103 е най-известната структурна сплав-на основата на ниобий. Това е клас-усилен с твърд разтвор, номинално съдържащ 89% ниобий, 10% хафний и 1% титан, изписан като Nb-10Hf-1Ti. Сплавта е разработена в началото на 60-те години на миналия век, по време на Студената война и космическата надпревара, когато няколко аерокосмически лаборатории работят паралелно върху устойчиви на пълзене огнеупорни сплави; C-103 се оказа най-добрият компромис между здравина, изработваемост и заваряемост и се превърна в референтен материал за хардуер за течно ракетно задвижване с радиационно охлаждане, като удължения на дюзите на главния двигател и компоненти на тяговата камера.

Блокове, пръти, пръти, телове, листове, ленти и плочи се подреждат спрямо ASTM B391 и ASTM B392, които определят химията, условията на отгряване и изискванията за механични изпитвания за мелничните продукти от ниобий и ниобиеви сплави. Типичните физични стойности, цитирани за сплавта, са плътност близо до 8,85 g/cm3, солидус над 2300 градуса и коефициент на термично разширение в района на 7 µm/m·K, всички от които я поставят между металния ниобий и по-тежките огнеупорни сплави, съдържащи -хафний.

Практическият температурен таван на сплавта зависи изцяло от околната среда, а не от якостта. Във вакуум или инертен газ C-103 запазва полезна структурна способност до приблизително 1400 градуса. Във въздуха той започва да абсорбира кислород бързо над около 600 градуса и образува не-защитен оксид, така че въздушното обслужване при висока температура изисква дифузионно покритие от разтопен силицид.

Производство, заваряване и покритие

Топене и претопяване: вакуумно електронно{0}}лъчево топене или вакуумно-дъгово претопяване се използва за поддържане на кислорода и азота на ниските нива, изисквани от ASTM B391.

Студена обработка: лист и лента лесно се валцуват студено с междинно вакуумно отгряване; обработката на сплавта-се втвърдява умерено и може да се формира чрез конвенционални методи на-спиране или центрофугиране-.

Заваряване: заваряването с газова волфрамова дъга и заваряването с електронен лъч са стандартни. Заваръчните шевове трябва да се извършват в инертна или вакуумна камера с висока{1}}чистота, тъй като азотът, кислородът и въглеродът-поглъщат трошливостта на заваръчната зона.

Машинна обработка: предпочита се твърдосплавна инструментална екипировка с големи наклонени ъгли и охлаждане; ниобият има склонност към жлъчка, така че острите ръбове и постоянното подаване са важни.

Покритие: разтопените силицидни покрития се нанасят чрез цементиране или дифузия на суспензия и са от съществено значение за всяко продължително излагане на въздух над приблизително 600 градуса.

Приложения на сплави-на основата на ниобий

Течно ракетно задвижване: удължения на дюзите, радиационно{0}}охлаждани тягови камери и-управляващи тласкачи, където C-103 предлага устойчивост на пълзене при висока температура при ниска структурна маса.

Свръхпроводящи системи: проводници от ниобий-титан и Nb3Sn за магнити за магнитно резонансно изображение, термоядрен намотки и диполи на ускорителя на частици.

Химически и металургичен завод: ниобиеви аноди, топлообменни тръби и реакционни съдове, работещи с агресивни минерални киселини.

Космонавтика и отбрана: високо{0}}температурни крепежни елементи, топлинни щитове и огнеупорни структурни компоненти.

Системи от натрий и алкални метали: ниобият е съвместим с течни алкални метали, така че се използва във високо{0}}температурни топлинни тръби и течни метални контури.

Нумизматика: ниобиеви сърцевини в биметални възпоменателни монети, където металът е избран по-скоро заради анодизиращото си поведение, отколкото заради здравината.

Насоки за избор и често срещани погрешни схващания

Погрешно схващане: C-103 може да се използва голо във въздуха при 1400 градуса.Сплавта има сила, но не и устойчивост на окисление; без силицидно покритие се окислява бързо над около 600 градуса.

Погрешно схващане: ниобият и танталът са взаимозаменяеми.Те са химически сходни и напълно разтворими един в друг, но танталът е приблизително два пъти по-плътен и значително по-скъп, така че заместването трябва да бъде оправдано от изискванията за корозия или плътност.

Погрешно схващане: най-здравата огнеупорна сплав винаги е най-добрият избор.Ниобиеви сплави с по-висока{0}}якост, базирани на добавки от волфрам или молибден, са много по-трудни за заваряване и формоване. За тънкостенен хардуер за дюзи, изработваемостта и целостта на заварката обикновено доминират в дизайна.

Основно правило за избор:изберете ниобий с търговска чистота за химически и свръхпроводящи услуги, C-103 за високотемпературен структурен хардуер с покритие и Nb-Ti или Nb3Sn, където функцията е свръхпроводимостта.

ЧЗВ

Въпрос: Какво означава обозначението C-103?
C-103 е историческото обозначение на сплавта на ниобий-10хафний-1титанова сплав в твърд разтвор; самото число няма металургично значение и е просто номерът на сплавта на оригиналния разработчик.

Въпрос: Сплав C-103 същата ли е като чист ниобий?
Не. Чистият ниобий е единичен елемент с много ниска якост при висока температура, докато C-103 е подсилен от разтворен хафний и титан, осигурявайки значително по-добра устойчивост на пълзене в диапазона 1000-1400 градуса.

В: При каква температура ниобият се окислява във въздуха?
Окисляването става значително доста под точката на топене, от приблизително 400-600 градуса, и оксидният слой не е защитен. Над тази температура сплавта се нуждае от силицидно покритие или вакуум или инертна атмосфера.

Въпрос: Може ли C-103 да бъде заварен в тънкостенни конструкции?
да Заваряването с електронен лъч и газовата волфрамова дъга се използват рутинно за разширения на дюзи и напорни камери, при условие че съединението е защитено от замърсяване с кислород, азот и въглерод.

Въпрос: Кои стандарти обхващат лист и прът от ниобиева сплав?
ASTM B391 обхваща блокове от ниобий и ниобиеви сплави, докато ASTM B392 обхваща пръти, пръти и телове и съответните изисквания за листове, ленти и плочи; спецификациите за покупка обикновено посочват приложимия стандарт и температура.

В: Ниобият магнитен ли е?
Чистият ниобий е парамагнитен и става свръхпроводим под около 9 К. Широко използваната свръхпроводяща сплав е ниобий-47титан, а интерметалното съединение Nb3Sn се използва за магнити с по-високо поле.