Zlitine-na osnovi niobija: sestava in lastnosti zlitine C-103 (Nb-10Hf-1Ti)

Kaj so zlitine-na osnovi niobija?

Zlitine-na osnovi niobija so ognjevzdržni kovinski materiali, v katerih niobij tvori ravnotežje sestave, običajno 85 % ali več po teži. Niobij ima kubično mrežo s središčem telesa-, tališče okoli 2469 stopinj, gostoto 8,57 g/cm3 in, kar je nenavadno med ognjevzdržnimi kovinami, uporabno duktilnost pri sobni temperaturi. Ta kombinacija je razlog, zakaj je niobij med kovinami z visokim-tališčem najlažji za valjanje v pločevino, vlečenje v žico in oblikovanje v zapleteno strojno opremo.

Tri družine lastnosti spodbujajo komercialno povpraševanje: zelo visoko tališče za strojno opremo za rakete in peči, nizek{0}}presek absorpcije toplotnih nevtronov z nizkim prehodom-v-krhkost za jedrsko in superprevodno storitev ter močna kemična odpornost za procesno opremo. Zlitine na osnovi-niobija zato spadajo v tri praktične skupine: niobij komercialne čistosti, trdne-z raztopino utrjene zlitine pri visokih-temperaturah in superprevodni materiali, kot sta niobij-titan in Nb3Sn.

Zlitina C-103: Sestava in lastnosti

Zlitina C-103 je najbolj znana strukturna zlitina-na osnovi niobija. Gre za trdno -raztopinsko utrjeno kakovost, ki nominalno vsebuje 89 % niobija, 10 % hafnija in 1 % titana, piše pa se Nb-10Hf-1Ti. Zlitina je bila razvita v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja, med hladno vojno in vesoljsko tekmo, ko je več vesoljskih laboratorijev vzporedno delalo na ognjevarnih zlitinah, odpornih proti lezenju; C-103 se je izkazal za najboljši kompromis med trdnostjo, sposobnostjo izdelave in varljivostjo ter je postal referenčni material za strojno opremo pogona na tekoče rakete, hlajeno s sevanjem, kot so podaljški šob glavnega motorja in komponente potisne komore.

Ingoti, palice, palice, žice, plošče, trakovi in ​​plošče so razvrščeni v skladu z ASTM B391 in ASTM B392, ki opredeljujeta kemijo, pogoje žarjenja in mehanske preskusne zahteve za niobije in niobijeve zlitine. Tipične fizikalne vrednosti, navedene za zlitino, so gostota blizu 8,85 g/cm3, solidus nad 2300 stopinj in koeficient toplotnega raztezanja v območju 7 µm/m·K, vse to pa jo uvršča med kovino niobij in težje ognjevarne zlitine, ki vsebujejo -hafnij.

Praktična temperaturna zgornja meja zlitine je v celoti odvisna od okolja in ne od trdnosti. V vakuumu ali inertnem plinu C-103 ohrani uporabno strukturno sposobnost do približno 1400 stopinj. V zraku začne hitro absorbirati kisik pri približno 600 stopinjah in tvori ne-zaščitni oksid, zato visokotemperaturna zračna storitev zahteva difuzijsko prevleko iz taljenega silicida.

Izdelava, varjenje in premazovanje

Taljenje in ponovno taljenje: vakuumsko taljenje z elektronskim -žarkom ali vakuumsko obločno ponovno taljenje se uporablja za ohranjanje kisika in dušika na nizkih ravneh, ki jih zahteva ASTM B391.

Hladna obdelava: pločevina in trak sta zlahka hladno valjana z vmesnim vakuumskim žarjenjem; zlitina-se zmerno strdi in jo je mogoče oblikovati z običajnimi metodami stiskanja-zavore ali centrifuge-.

Varjenje: varjenje s plinskim volframovim oblokom in varjenje z elektronskim žarkom sta standardna. Zvari morajo biti-izdelani v inertni ali vakuumski komori visoke čistosti, ker dušik, kisik in ogljik-poberejo območje zvara krhko.

Strojna obdelava: zaželeno je orodje iz karbidne trdine z veliko nagibnimi koti in hladilnim hlajenjem; niobij je nagnjen k žolčenju, zato so pomembni ostri robovi in ​​stalen dovod.

Prevleka: prevleke iz taljenega silicida se nanesejo s cementiranjem ali difuzijo brozge in so bistvene za vsako trajno izpostavljenost zraku nad približno 600 stopinj.

Uporaba zlitin-na osnovi niobija

Pogon raket na tekoče-kapljevitost: podaljški šob, sevalno-hlajene potisne komore in-potisni pogoni za krmiljenje lege, kjer C-103 nudi odpornost na lezenje pri visoki temperaturi pri nizki strukturni masi.

Superprevodni sistemi: prevodniki iz niobija-titana in Nb3Sn za magnete za slikanje z magnetno resonanco, fuzijske tuljave in dipoli za pospeševanje delcev.

Kemični in metalurški obrat: niobijeve anode, cevi izmenjevalnika toplote in reakcijske posode, ki delujejo z agresivnimi mineralnimi kislinami.

Letalstvo in obramba: visoko{0}}temperaturni pritrdilni elementi, toplotni ščiti in ognjevzdržne strukturne komponente.

Sistemi natrija in alkalijskih kovin: niobij je združljiv s tekočimi alkalijskimi kovinami, zato se uporablja v visokotemperaturnih toplotnih ceveh in tekočih kovinskih zankah.

Numizmatika: jedra iz niobija v bimetalnih spominskih kovancih, kjer je kovina izbrana zaradi anodiziranja in ne zaradi trdnosti.

Navodila za izbiro in pogoste napačne predstave

Napačno prepričanje: C-103 se lahko uporablja na prostem pri 1400 stopinjah.Zlitina ima trdnost, vendar ne odpornost proti oksidaciji; brez silicidne prevleke hitro oksidira nad približno 600 stopinj.

Napačno prepričanje: niobij in tantal sta zamenljiva.Kemično sta si podobna in popolnoma topna drug v drugem, vendar je tantal približno dvakrat gostejši in precej dražji, zato mora biti zamenjava utemeljena z zahtevami glede korozije ali gostote.

Zmota: najmočnejša ognjevzdržna zlitina je vedno najboljša izbira.Niobijeve-zlitine z večjo trdnostjo, ki temeljijo na dodatkih volframa ali molibdena, je veliko težje variti in oblikovati. Pri strojni opremi tankostenskih šob običajno prevladujeta sposobnost izdelave in celovitost zvara.

Izbirno pravilo:izberite niobij komercialne čistosti za kemijske in superprevodne storitve, C-103 za prevlečeno visoko-temperaturno strukturno strojno opremo in Nb-Ti ali Nb3Sn, kjer je funkcija superprevodnost.

pogosta vprašanja

V: Kaj pomeni oznaka C-103?
C-103 je zgodovinska oznaka zlitine zlitine niobij-10hafnij-1titan v trdni raztopini; sama številka nima metalurškega pomena in je preprosto prvotna številka zlitine razvijalca.

V: Ali je zlitina C-103 enaka čistemu niobiju?
Ne. Čisti niobij je en sam element z zelo nizko trdnostjo pri visoki temperaturi, medtem ko je C-103 ojačan z raztopljenim hafnijem in titanom, kar daje občutno boljšo odpornost proti lezenju v območju 1000-1400 stopinj.

V: Pri kateri temperaturi niobij oksidira na zraku?
Oksidacija postane pomembna precej pod tališčem, od približno 400-600 stopinj, in oksidna plast ni zaščitna. Nad to temperaturo potrebuje zlitina silicidno prevleko ali vakuum ali inertno atmosfero.

V: Ali je mogoče C-103 variti v tankostenske strukture?
ja Varjenje z elektronskim žarkom in plinsko volframovo obločno varjenje se redno uporabljata za podaljške šob in potisne komore, pod pogojem, da je spoj zaščiten pred onesnaženjem s kisikom, dušikom in ogljikom.

V: Kateri standardi zajemajo pločevino in palico iz niobijeve zlitine?
ASTM B391 zajema ingote niobija in niobijeve zlitine, medtem ko ASTM B392 zajema palice, palice in žice ter ustrezne zahteve za pločevino, trakove in plošče; nakupne specifikacije običajno navajajo veljavni standard in temperaturo.

V: Ali je niobij magneten?
Čisti niobij je paramagneten in postane superprevoden pod približno 9 K. Zelo razširjena superprevodna zlitina je niobij-47titan, intermetalna spojina Nb3Sn pa se uporablja za magnete z višjim poljem.