Сплав ниобия и вольфрама Nb521
Сплав ниобия и вольфрама Nb521 (Nb-5W-2Mo-1Zr) используется при изготовлении корпуса камеры сгорания двухэлементного жидкостного ракетного двигателя. Под защитой высокотемпературного антиоксидантного покрытия из силицида молибдена рабочая температура камеры сгорания может достигать приблизительно 1550 градусов Цельсия, что значительно снижает расход топлива, необходимый для охлаждения камеры сгорания, и повышает характеристики двигателя. В связи с необходимостью разработки моделей, применение сплава ниобия и вольфрама Nb521 в аэрокосмической отрасли страны становится все более распространенным, не только в двухэлементных жидкостных ракетных двигателях, но и в некоторых высокотемпературных компонентах других высокоскоростных летательных аппаратов. В данном исследовании изучаются свойства сплава при комнатной и высокой температурах, а также изменения его микроструктуры, и методом центробежного формования были изготовлены прототипы секций удлинителя сопла двигателя. Также были изучены высокотемпературные свойства и формуемость материала при комнатной температуре. Образцы для испытаний на растяжение при комнатной и высокой температурах подвергались испытаниям на растяжение на машинах для испытаний на растяжение при комнатной и высокой температурах для определения механических свойств сплава ниобия-вольфрама Nb521 при комнатной температуре. Карбидная упрочняющая фаза в сплаве ниобия-вольфрама Nb521 была идентифицирована методом рентгеновской дифракции. Были изготовлены небольшие образцы сплава ниобия-вольфрама Nb521, на поверхность каждого образца было нанесено высокотемпературное антиоксидативное покрытие. Затем образцы нагревали до 1450, 1500, 1550, 1600, 1700 и 1800 градусов Цельсия в течение длительных периодов времени. Изменения в упрочняющей фазе во время этих длительных высокотемпературных нагревов наблюдались и анализировались с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), а осажденная упрочняющая фаза была идентифицирована с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Высокотемпературные прочностные характеристики образцов измерялись после нанесения антиоксидантного покрытия на поверхность образцов для испытаний на растяжение.
Пластины и прутки из ниобий-вольфрамового сплава Nb521 находились в рекристаллизованном состоянии. Были определены механические свойства рекристаллизованных пластин и прутков из ниобий-вольфрамового сплава Nb521 при комнатной температуре. В таблице 2 показано, что этот материал обладает хорошей пластичностью при комнатной температуре и подходит для формования деталей методами пластической обработки, такими как формование вращением. Видно, что мелкие карбиды диспергированы внутри зерен, в то время как более крупные пластинчатые карбиды распределены по границам зерен. Ниобий-вольфрамовые сплавы содержат различные типы карбидов, включая MC, M2C и M3C2. Дисперсия мелких и стабильных карбидов, нитридов и оксидов является наиболее эффективным методом высокотемпературного упрочнения ниобиевых сплавов. Карбидные упрочняющие фазы в ниобиево-вольфрамовых сплавах распределены дисперсно (Nb, Zr). Рентгеновская дифракция использовалась для идентификации карбидов в пластинах, и результатом был ZrC. ZrC представляет собой дисперсную и стабильную фазу, играющую главную роль в дисперсионном упрочнении ниобиево-вольфрамовых сплавов. Высокотемпературные механические свойства пластин и стержней из ниобиево-вольфрамового сплава Nb521. Камеры сгорания двигателей требуют предела прочности на растяжение не менее 60 МПа при весе материала 1600 фунтов. Этот новый материал обладает превосходными высокотемпературными характеристиками и полностью отвечает требованиям к камерам сгорания двигателей.
По мере повышения температуры нагрева упрочняющая фаза начинает осаждаться и агрегироваться. Карбиды, как высокотемпературные упрочняющие фазы в ниобиево-вольфрамовых сплавах, оказывают хороший высокотемпературный упрочняющий эффект только в дисперсном состоянии. Агрегация и рост этих частиц неизбежно приводят к снижению высокотемпературной прочности ниобий-вольфрамового сплава. Кривые высокотемпературных механических свойств также иллюстрируют зависимость снижения прочности от температуры. Изображения ниобий-вольфрамовых сплавов, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) после выдержки при 1600°C в течение 11 ч и при 1800°C в течение 17 ч, показывают, что при длительном нагреве ниобий-вольфрамового сплава до 1600°C осажденная карбидная фаза становится почти сферической и распределяется вдоль границ зерен.
Корпус двигателя, изготовленный из ниобий-вольфрамового сплава Nb521, подвергался многочасовым испытаниям на горячее после нанесения высокотемпературного антиоксидантного покрытия. Показан вид высокотемпературного участка во время испытаний на горячее, при этом область с самой высокой температурой находится в горловине (часть с наименьшим диаметром). Также показана микроструктура ниобий-вольфрамового сплава Nb521, соответствующая горловине. Микроструктура ниобий-вольфрамового сплава наиболее близка к микроструктуре сплава, поэтому можно определить, что температура высокотемпературной части камеры сгорания двигателя во время работы должна составлять около 1550 градусов Цельсия. Это демонстрирует, что недавно разработанный ниобий-вольфрамовый сплав обладает превосходными температурными характеристиками.