Legure na bazi-niobija: sastav i svojstva legure C-103 (Nb-10Hf-1Ti)

Što su legure-na bazi niobija?

Legure na bazi-niobija su vatrostalni metalni materijali u kojima niobij čini ravnotežu sastava, općenito 85% ili više po težini. Niobij ima kubičnu rešetku s tijelom-centrom, talište od oko 2469 stupnjeva, gustoću od 8,57 g/cm3 i, neobično među vatrostalnim metalima, korisnu duktilnost na sobnoj temperaturi. Ta je kombinacija razlog zašto je niobij najlakši od metala s-visokim talištem za valjanje u ploče, izvlačenje u žicu i oblikovanje u složeni hardver.

Tri obitelji svojstava pokreću komercijalnu potražnju: vrlo visoka točka taljenja za hardver za rakete i peći, presjek-niske apsorpcije toplinskih neutrona s niskim prijelazom-na-lomljivost za nuklearnu i supravodljivu uslugu i jaka kemijska otpornost za procesnu opremu. Legure na bazi-niobija stoga spadaju u tri praktične skupine: niobij komercijalne čistoće, čvrste-otopinom ojačane legure-na visokim temperaturama i supravodljivi materijali kao što su niobij-titan i Nb3Sn.

Legura C-103: Sastav i svojstva

Legura C-103 najpoznatija je strukturna legura-na bazi niobija. To je čvrsta -otopina ojačana klasa koja nominalno sadrži 89% niobija, 10% hafnija i 1% titana, piše se Nb-10Hf-1Ti. Legura je razvijena ranih 1960-ih, tijekom Hladnog rata i svemirske utrke, kada je nekoliko zrakoplovnih laboratorija paralelno radilo na vatrostalnim legurama otpornim na puzanje; C-103 se pokazao kao najbolji kompromis između čvrstoće, mogućnosti izrade i zavarljivosti te je postao referentni materijal za hardver pogonske rakete na tekući pogon hlađen zračenjem kao što su produžeci mlaznica glavnog motora i komponente potisne komore.

Ingot, šipka, šipka, žica, lim, traka i ploča naručeni su prema ASTM B391 i ASTM B392, koji definiraju kemiju, uvjete žarenja i zahtjeve za mehanička ispitivanja za niobij i proizvode od niobijeve legure. Tipične fizikalne vrijednosti navedene za leguru su gustoća blizu 8,85 g/cm3, solidus iznad 2300 stupnjeva i koeficijent toplinske ekspanzije u području od 7 µm/m·K, što je sve svrstava između metala niobija i težih vatrostalnih legura koje sadrže hafnij-.

Praktična gornja granica temperature legure u potpunosti ovisi o okolini, a ne o čvrstoći. U vakuumu ili inertnom plinu, C-103 zadržava korisnu strukturnu sposobnost do otprilike 1400 stupnjeva. U zraku počinje brzo apsorbirati kisik iznad oko 600 stupnjeva i stvara ne-zaštitni oksid, tako da visokotemperaturni zračni servis zahtijeva difuzijski premaz od topljenog silicida.

Izrada, zavarivanje i premazivanje

Taljenje i ponovno taljenje: vakuumsko taljenje elektronskim -zrakom ili vakuumsko lučno ponovno taljenje koristi se za održavanje kisika i dušika na niskim razinama koje zahtijeva ASTM B391.

Hladna obrada: lim i traka se lako hladno valjaju sa srednjim vakuumskim žarenjem; legura se-umjereno stvrdnjava i može se oblikovati konvencionalnim metodama-kočnice ili centrifugiranja-.

Zavarivanje: zavarivanje plinskim volframovim lukom i zavarivanje elektronskim snopom su standardni. Varovi se moraju izvoditi u inertnoj ili vakuumskoj komori visoke-čistoće jer skupljanje dušika, kisika i ugljika-oni krti zonu zavara.

Strojna obrada: poželjan je alat od tvrdog metala s velikim nagibnim kutovima i potopnim hlađenjem; niobij je sklon žuči, pa su oštri rubovi i konstantno uvlačenje važni.

Premaz: prevlake od topljenog silicida nanose se cementiranjem ili difuzijom kaše i bitne su za svako trajno izlaganje zraku iznad približno 600 stupnjeva.

Primjena legura-na bazi niobija

Raketni pogon na tekuće gorivo: proširenja mlaznica, potisne komore-hlađene zračenjem i potisnici-kontrole položaja, gdje C-103 nudi otpornost na puzanje pri visokoj temperaturi pri maloj strukturnoj masi.

Supravodljivi sustavi: niobij-titan i Nb3Sn vodiči za magnete magnetske rezonancije, fuzijske zavojnice i dipoli akceleratora čestica.

Kemijsko i metalurško postrojenje: niobijeve anode, cijevi izmjenjivača topline i reakcijske posude koje rade s agresivnim mineralnim kiselinama.

Zrakoplovstvo i obrana: pričvršćivači-za visoke temperature, toplinski štitovi i vatrostalne strukturne komponente.

Sustavi natrija i alkalnih metala: niobij je kompatibilan s tekućim alkalnim metalima, pa se koristi u visoko{0}}temperaturnim toplinskim cijevima i petljama od tekućeg metala.

Numizmatika: jezgre od niobija u bimetalnim prigodnim kovanicama, gdje se metal odabire zbog anodizirajućeg ponašanja, a ne zbog čvrstoće.

Smjernice za odabir i uobičajene zablude

Zabluda: C-103 se može koristiti gol na zraku na 1400 stupnjeva.Legura ima čvrstoću, ali ne i otpornost na oksidaciju; bez silicidne prevlake brzo oksidira iznad oko 600 stupnjeva.

Zabluda: niobij i tantal su zamjenjivi.Oni su kemijski slični i potpuno topljivi jedan u drugom, ali tantal je otprilike dvostruko gušći i znatno skuplji, pa se zamjena mora opravdati zahtjevima za korozijom ili gustoćom.

Zabluda: najčvršća vatrostalna legura uvijek je najbolji izbor.Legure niobija veće čvrstoće koje se temelje na dodacima volframa ili molibdena mnogo je teže zavarivati ​​i oblikovati. Kod hardvera mlaznica s tankim-stjenkama, mogućnost izrade i cjelovitost zavara obično dominiraju dizajnom.

Opće pravilo odabira:odaberite niobij komercijalne čistoće za kemijsku i supravodljivu uslugu, C-103 za obloženi visoko{2}}strukturalni hardver i Nb-Ti ili Nb3Sn gdje je supravodljivost glavna funkcija.

FAQ

P: Što znači oznaka C-103?
C-103 je povijesna oznaka legure niobij-10hafnij-1titanijeve legure čvrste otopine; sam broj nema nikakvo metalurško značenje i jednostavno je izvorni broj legure razvijača.

P: Je li legura C-103 isto što i čisti niobij?
Ne. Čisti niobij je pojedinačni element s vrlo niskom čvrstoćom na visokoj temperaturi, dok je C-103 ojačan otopljenim hafnijem i titanijem, dajući izrazito bolju otpornost na puzanje u rasponu od 1000-1400 stupnjeva.

P: Na kojoj temperaturi niobij oksidira na zraku?
Oksidacija postaje značajna daleko ispod točke taljenja, od otprilike 400-600 stupnjeva, a sloj oksida nije zaštitni. Iznad te temperature slitina treba silicidnu prevlaku ili vakuum ili inertnu atmosferu.

P: Može li se C-103 zavarivati ​​u strukture tankih stijenki?
Da. Zavarivanje elektronskim snopom i zavarivanje plinskim volframovim lukom rutinski se koriste za produžetke mlaznica i potisne komore, pod uvjetom da je spoj zaštićen od kontaminacije kisikom, dušikom i ugljikom.

P: Koji standardi pokrivaju lim i šipku od legure niobija?
ASTM B391 pokriva niobij i ingote niobijeve legure, dok ASTM B392 pokriva šipke, šipke i žice te odgovarajuće zahtjeve za listove, trake i ploče; kupovne specifikacije obično navode primjenjivi standard i temperaturu.

P: Je li niobij magnetski?
Čisti niobij je paramagnetičan i postaje supravodljiv ispod oko 9 K. Široko korištena supravodljiva legura je niobij-47titan, a intermetalni spoj Nb3Sn koristi se za magnete s višim poljem.