Спосіб одержання монокристала сплаву вольфрам-тантал

Реферат: Спосіб одержання монокристала сплаву вольфрам-тантал включає виготовлення штабиків гідростатичним пресуванням попередньо змішаних порошків вольфраму і танталу впродовж -3 200-300 секунд, наступну термічну обробку штабиків у вакуумі з залишковим тиском Р8.10 Па, спікання штабиків у вакуумі при температурі Т1500 °C впродовж не менше двох годин з наступним охолодженням зі швидкістю 300 °C/годину, переплавлення штабиків в полікристалічну заготівку, вирощування з неї монокристалічного зливка шляхом безтигельної зонної плавки з електронно-променевим нагрівом, що закінчується парною плавкою з затравлюванням на кінець зливку непарної плавки. Гідростатичне пресування здійснюють під тиском 200-250 МПа, наступну термічну обробку штабиків, їх спікання проводять в умовах безперервної відкачки вакууму, а процес вирощування монокристалічного зливку здійснюють на -5 затравці осьової орієнтації зі швидкістю зонної перекристалізації (2,0-4,0)·10 м/с, причому вміст танталу у монокристалі становіть 3,0-12,0 мас. %. UA 87727 U (12) UA 87727 U UA 87727 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб належить до галузі металургії тугоплавких металів і сплавів, та може бути застосований при вирощуванні однорідних монокристалів сплаву вольфрам-тантал методом безтигельної зонної плавки з електронно-променевим нагрівом. Монокристали тугоплавких металів у вигляді стрижнів заданої кристалографічної орієнтації, можуть застосовуватись як матеріал для катодів термоемісійних перетворювачів (ТЕП) енергії. При високих робочих температурах катоди ТЕП з монокристалів мають недостатньо високу жароміцність, що може призвести до їх деформації внаслідок тиску газоподібних продуктів поділу ядерного палива всередині катода в процесі його експлуатації. Крім того, монокристалічні стрижні вольфраму невисокої чистоти мають низьку структурну досконалість, що погіршує робочі характеристики катодів ТЕП. Відомий спосіб одержання монокристалів сплавів тугоплавких металів з використанням штабиків, виготовлених методом порошкової металургії (Савицкий Е.М., Бурханов Г.С., Поварова Е.Б. и др. "Тугоплавкие металлы и сплавы", Москва: Металлургия, 1986 г., с.32-85), що включає виготовлення штабиків шляхом гідростатичного пресування попередньо змішаних вихідних порошків тугоплавких металів, термічної обробки штабиків у відновлювальному середовищі, спікання їх з наступним переплавом в полікристалічні заготовки, з яких потім вирощують монокристалічні зливки методом безтигельної зонної плавки з електроннопроменевим нагрівом. Недоліком відомого способу є неможливість одержати монокристал сплаву вольфрамтантал з однорідним розподілом легуючого компонента (тантала) по довжині монокристала вольфраму через неможливість отримання штабиків вольфраму, легованого танталом, відповідної високої якості. Вольфрам практично не взаємодіє з воднем, тоді як тантал інтенсивно його поглинає з утворенням широкої області твердих розчинів і гідридних фаз, що призводить до розтріскування і часткового руйнування штабиків при їх термообробці. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є "Способ получения монокристаллов сплава вольфрам - тантал" (Патент Російської Федерації № 2453624 МПК С22С 27/04 (2006.01), С30В 13/22 (2006.01), опубл. 20.06.2012, Бюл. № 17), в якому порошки вихідних компонентів змішують, виготовляють штабики шляхом гідростатичного пресування суміші порошків під тиском 140-160 МПа впродовж -3 200-300 секунд, проводять термічну обробку штабиків у вакуумі з залишковим тиском Р8·10 Па за температури до 800 °C, продовжують обробку штабиків у відновлювальному середовищі за надлишкового тиску не менше 0,2 атм. та температури 800-1000 °C впродовж не менше двох -3 годин, спікають штабики у вакуумі з залишковим тиском Р8·10 Па при температурі Т1500 °C впродовж не менше двох годин з наступним охолодженням, причому нагрів та охолодження здійснюють із швидкістю 300-400 °C/годину. Монокристалічний зливок вирощують безтигельною плавкою з електронно-променевим нагрівом та закінчують парною плавкою із затравлюванням на кінець зливку непарною плавкою. Даний спосіб дозволяє одержувати монокристали сплаву вольфрам-тантал з підвищеним ступенем однорідності розподілу танталу по його довжині. Недоліком відомого способу є неможливість одержання структурно досконалих монокристалів сплаву вольфрам-тантал орієнтації , яка є найбільш вигідна з точки зору застосування трубчастих полігранних катодів ТЕП. В основу корисної моделі поставлена задача розробити спосіб одержання монокристала сплаву вольфрам-тантал шляхом вирощування монокристалічного зливка на затравці осьової орієнтації з високим вмістом танталу і відповідно вибраною швидкістю зонної перекристалізації, за рахунок чого підвищується жароміцність (опір високотемпературної повзучості), структурна досконалість та емісійні властивості катодів ТЕП. Поставлена задача вирішується тим, що в способі одержання монокристала сплаву вольфрам-тантал шляхом виготовлення штабиків гідростатичним пресуванням попередньо змішаних порошків вольфраму і танталу впродовж 200-300 секунд, наступної термічної обробки -3 штабиків у вакуумі з залишковим тиском Р8.10 Па за температури до 800 °C, спікання -3 штабиків у вакуумі з залишковим тиском Р8.10 Па при температурі Т1500 °C впродовж не менше двох годин з наступним охолодженням зі швидкістю 300 °C/годину, переплавлення штабиків в полікристалічну заготівку, вирощування з неї монокристалічного зливка шляхом безтигельної зонної плавки з електронно-променевим нагрівом, що закінчується парною плавкою з затравлюванням на кінець зливка непарної плавки, згідно з корисною моделлю, гідростатичне пресування здійснюють під тиском 200-250 МПа, наступну термічну обробку штабиків, їх спікання проводять в умовах безперервної відкачки вакууму, а процес вирощування монокристалічного зливка здійснюють на затравці осьової орієнтації зі швидкістю зонної -5 перекристалізації (2,0-4,0)·10 м/с, причому вміст танталу у монокристалічному зливка становить 3,0-12.0 мас. %. 1 UA 87727 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Заявлений вміст танталу у монокристалі сплаву вольфрам-тантал забезпечує значне підвищення жароміцності (опір високотемпературної повзучості) (див. фіг.1). Вирощування монокристалічного зливка сплаву вольфрам-тантал на затравці осьової орієнтації дає можливість підвищити жароміцність (опір високотемпературної повзучості) катоду ТЕП (див. фіг.1). Це обумовлено двома факторами: більш вигідною спрямованістю дислокаційної субструктури відносно основних складових напружень, які діють на стінки монокристалічної трубки, та значно меншою мікронеоднорідністю розподілу компонентів сплаву. Останній фактор обумовлює менший внесок процесу гомогенізації складу в пришвидшенні повзучості. Вибір орієнтації також дозволяє підвищити структурну досконалість монокристала сплаву вольфрам-тантал, що обумовлено обмеженням формування грубої смугастої структури в результаті виходу із кристалу на бокову поверхню малокутових границь. (Матвієнко Л.Ф. Механізми впливу домішок на субструктуру і механічні властивості монокристалів молібдену та вольфраму: автореферат дисертаційної роботи кандидата фіз.-мат. наук. - Київ, 2012.-20 с.). Орієнтація забезпечує найвищі емісійні властивості та електричну потужність полігранного трубчастого катода ТЕП, оскільки на його робочу бокову поверхню виходить максимальна кількість площин {110}, {112}, що становить 12, з максимальною роботою виходу -5 електронів у вакуумі. Вибір інтервалу швидкостей зонної перекристалізації (2,0-4,0)·10 м/с, визначається, з одного боку, технологічними факторами, а, з другого, - можливістю одержання монокристалів сплаву вольфрам-тантал високої структурної досконалості. Швидкість менша за межі інтервалу, що заявляється, призведе до великих витрат вихідних компонентів, особливо танталу, і низької продуктивності процесу вирощування монокристала сплаву вольфрам-тантал. Швидкість більша за межу інтервалу, що заявляється, не дозволяє одержати монокристал високої структурної досконалості. Запропонований спосіб реалізується наступним чином. Будь-яким відомим способом одержують суміш порошків вольфраму і танталу. Оскільки пружність парів танталу, при температурі плавлення вольфраму, значно вища за пружність парів вольфраму, то вміст танталу в суміші порошків більший за той, що одержують у монокристалі на 15-20 мас. %, тому вихідний склад сумішей порошків співвідноситься зі складом монокристала наступним чином: Суміш порошків, мас. %: Та - 3,6; 6,0; 10,0; 15.0; W - решта. Монокристал, мас. %: Та- 3,0; 5,0; 8,0; 12,0; W - решта. Попередньо змішані порошки вольфраму і танталу пресують в еластичних (гумових) трубках прикладанням гідростатичного тиску 200-250 МПа впродовж 200-300 секунд. Пресовки спікають -3 впродовж 2 годин при температурі Т1500 °C у вакуумі з залишковим тиском Р5.10 Па з попереднім ступінчастим нагрівом та наступним повільним охолодженням (300 °C/год.). Плавлять штабики двома проходами зони з електронно-променевим нагрівом зі швидкістю 10 4 м/с у протилежних напрямках з одержанням полікристалічної заготовки. Вирощують монокристалічний зливок двома проходами зони зі швидкістю зонної перекристалізації (2,0-5 4,0)·10 м/с почергово змінюючи напрям проходу зони. Закінчують процес вирощування монокристалічного зливка другою (або іншою парною) плавкою на затравці осьової орієнтації , привареної до кінця зливка непарної плавки. Заявлений спосіб пояснюється фіг. 1-3 та таблицею, де наведено: на фіг. 1 - криві повзучості монокристала сплаву W-Ta: а- 0 мас. %Та, б-3 мас. %Та, в-5 мас. %Та, г-8 мас. %Та, д - 12 мас. %Та; на фіг.2 - рентгенівські топограми поперечних зрізів монокристала орієнтації : а) -5 0мас. %Та; б) 3 мас. %Та (швидкість зонної перекристалізації- 4·10 м/с);8 мас. %Та (швидкість -5 зонної перекристалізації-2,5·10 м/с); на фіг.3 - рентгенівські топограми повздовжніх зрізів монокристала сплаву W-8 мас. %Та наступних кристалографічних орієнтацій: (а) -, (б) - , (в) - (швидкість зонної -5 перекристалізації - 3,0·10 м/с); в таблиці - параметри повзучості монокристала вольфраму (99,9 мас. % W) та монокристала сплаву вольфрам-тантал. Для випробувань на жароміцність (опір високотемпературної повзучості) були виготовлені зразки у вигляді кілець діаметром 12 мм з осьовою орієнтацією , які імітують трубки катодів ТЕП. Досліджували повзучість при прикладанні напруження до внутрішньої їх поверхні у 12 точках при температурі 1800° С та тангенціальному напруженні σ=12МПа. Експериментальні дані представлені на фіг. 1 та в таблиці, свідчать про те, що жароміцність (опір високотемпературної повзучості) монокристалів сплаву вольфраму з 8 та 12 мас. % Та, відповідно, задовольняє вимогам, які висуваються до катодів ТЕП. Як видно з фіг. 2, легування 2 UA 87727 U 5 10 вольфраму танталом до 8 мас. % Та істотно зніжує розорієнтацію між субзернами монокристала вольфраму, який вирощували в напрямку осі (зменшується ширина їх зображень на рентгенівських топограмах у вигляді смуг світлого і темного контрасту). З фіг.3 випливає сильна залежність структурної досконалості монокристалів сплаву вольфрам-тантал від кристалографічної орієнтації напрямку вирощування (орієнтації затравки). Мінімальна розорієнтація характеризує монокристал, вирощений на затравці осьової орієнтації . Таким чином, запропонований спосіб одержання монокристала сплаву вольфрам-тантал дозволяє отримувати монокристал з орієнтацією , і вмістом до 12 мас. %Та, за рахунок чого підвищується його жароміцність (опір високотемпературної повзучості), структурна досконалість та досягаються максимальні емісійні властивості. Спосіб може бути реалізований як у лабораторних, так і у виробничих умовах. Таблиця Параметри повзучості монокристала вольфраму (99,9 мас. %W) та монокристала сплаву вольфрам-тантал Склад сплаву W W-3 мас. %Та W-5 мас. % Та W-8 мас. % Та W-12 мас. % Та ε1 % 1,8 0,15 0,1 0,09 0,02 ε100, % 4,0 0,42 0,25 0,1 0,05 -9 ε’, 10 c 100 8 6 2 0,5 -1 ε1 - деформація на І стадії повзучості; ε100 - загальна деформація за 100 годин іспитів; ε’ - швидкість повзучості на II (усталеній) стадії. 15 20 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб одержання монокристала сплаву вольфрам-тантал, що включає виготовлення штабиків гідростатичним пресуванням попередньо змішаних порошків вольфраму і танталу впродовж -3 200-300 секунд, наступну термічну обробку штабиків у вакуумі з залишковим тиском Р8.10 Па, спікання штабиків у вакуумі при температурі Т1500 °C впродовж не менше двох годин з наступним охолодженням зі швидкістю 300 °C/годину, переплавлення штабиків в полікристалічну заготівку, вирощування з неї монокристалічного зливка шляхом безтигельної зонної плавки з електронно-променевим нагрівом, що закінчується парною плавкою з затравлюванням на кінець зливку непарної плавки, який відрізняється тим, що гідростатичне пресування здійснюють під тиском 200-250 МПа, наступну термічну обробку штабиків, їх спікання проводять в умовах безперервної відкачки вакууму, а процес вирощування монокристалічного зливка здійснюють на затравці осьової орієнтації зі швидкістю зонної -5 перекристалізації (2,0-4,0)·10 м/с, причому вміст танталу у монокристалі становіть 3,0-12,0 мас. %. 3 UA 87727 U 4 UA 87727 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5