Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий
Приведены результаты исследований процесса получения прокаткой в вакууме лент тантал-ниобий-тантал, тантал-ниобий и некоторые их свойства.Установлено, что для получения прочного схватывания (30…35 кг/мм²) тантала с ниобием при температуре прокатки 1200 °С в вакууме 1.10⁻⁴…5.10⁻⁵ мм.рт.ст. достаточно...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2000 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2000
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78202 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий / А.Т. Лопата, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 98-100. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860166317641826304 |
|---|---|
| author | Лопата, А.Т. Неклюдов, И.М. |
| author_facet | Лопата, А.Т. Неклюдов, И.М. |
| citation_txt | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий / А.Т. Лопата, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 98-100. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Приведены результаты исследований процесса получения прокаткой в вакууме лент тантал-ниобий-тантал, тантал-ниобий и некоторые их свойства.Установлено, что для получения прочного схватывания (30…35 кг/мм²) тантала с ниобием при температуре прокатки 1200 °С в вакууме 1.10⁻⁴…5.10⁻⁵ мм.рт.ст. достаточно обжатия 24…26 %.Показано, что характер зависимости предела прочности и относительного удлинения от температуры (20…1200 °С) испытания лент тантал-ниобий-тантал (20…40 % тантала) аналогичен для ниобия.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:57:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.771
СЛОИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТАНТАЛ-НИОБИЙ-ТАНТАЛ
И ТАНТАЛ-НИОБИЙ
А.Т. Лопата, И.М. Неклюдов,
Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт",
г.Харьков, Украина
Приведены результаты исследований процесса получения прокаткой в вакууме лент тантал-ниобий-тан-
тал, тантал-ниобий и некоторые их свойства.Установлено, что для получения прочного схватывания (30…35
кг/мм2) тантала с ниобием при температуре прокатки 1200 0С в вакууме 1.10-4…5.10-5 мм.рт.ст. достаточно
обжатия 24…26 %.Показано, что характер зависимости предела прочности и относительного удлинения от
температуры (20…1200 0С) испытания лент тантал-ниобий-тантал (20…40 % тантала) аналогичен для нио-
бия.
Тантал находит широкое применение в различ-
ных отраслях современной техники. Он обладает
высокой стойкостью в различных коррозионных
средах, совместим с ядерным горючим, способен
создавать полупроводниковые поверхностные плён-
ки и др. Благодаря своей высокой коррозионной
стойкости в среде жидкого ядерного топлива тантал
широко используется в агрегатах для плавки и ра-
финирования ядерного топлива [1, 2]. Потребности
промышленности превышают возможности общего
реального производства тантала из-за ограниченно-
сти его рудных запасов, что обуславливает острую
дефицитность тантала и ограничивает применение
его в технике.
Во многих случаях вместо монометаллического
тантала можно использовать композит (двух–, трех-
слойный), у которого наружный слой из тантала
обеспечивал бы изделиям служебные характеристи-
ки, аналогичные танталу, а механическая прочность
достигалась бы другими, менее дефицитными ме-
таллами. В работах, выполненных в ГИРЕДМЕТЕ
[3], показана принципиальная возможность замены
в электролитических танталовых конденсаторах по-
луфабрикатов из монометаллического тантала биме-
таллическими изделиями с наружным танталовым
слоем.
Выбор материала, который мог бы частично за-
менить тантал в изделиях ядерной энергетики и ра-
диоэлектронной промышленности, ограничен высо-
кими температурами термообработки, эксплуатации
изделий и необходимостью близких значений его
физико-механических характеристик к танталу.
Наиболее приемлемым для этой цели является - ни-
обий, который в несколько раз дешевле тантала.
Технология получения слоистого компо-зици-
онного материала должна обеспечивать надёжную
прочность и сплошность соединения слоёв. В про-
тивном случае при выполнении различных техноло-
гических операций (раскатка, гибка, штамповка и
др. в процессе изготовления изделий из биметалла)
может произойти расслоение материала на состав-
ляющие.
Целью настоящей работы явилось разработка
технологии производства слоистых листов с плаки-
рующими слоями из тантала с надёжной прочно-
стью и сплошностью соединения слоёв, пригодных
для использования их взамен тантала в агрегатах
для плавки и рафинирования ядерного горючего и в
качестве корпусов электролитических конденсато-
ров.
Для получения слоистых материалов тантал-нио-
бий и тантал-ниобий-тантал был выбран метод горя-
чей прокатки в вакууме. Этот метод получения
композиций по сравнению с известными другими
(сварка взрывом, диффузионная сварка, прокатка
герметизированных пакетов и др.) обладает следую-
щими преимуществами: высокой прочностью соеди-
нения слоев; надёжной стабильностью свойств со-
единения в одном изделии и в партии изделий, полу-
ченных по одинаковым режимам; простотой
конструкции пакета, обеспечивающей минимальный
расходный коэффициент металла; высоким каче-
ством поверхности получаемых изделий [4].
В задачу исследований выбранного метода полу-
чения слоистого материала входит нахождение
условий, обеспечивающих формирование прочной
границы раздела слоёв (не ниже прочности одного
из металлов композиции), которая и определяет ка-
чество биметалла.
Для выбора оптимальных режимов получения
листового материала тантал-ниобий-тантал были
проведены исследования влияния температуры про-
катки и относительного обжатия на процесс фор-
мирования прочной границы раздела тантал - нио-
бий при постоянном давлении остаточных газов
5.10-6 Торр. С этой целью была прокатана серия па-
кетов тантал-ниобий-тантал в интервале температур
1000 …1300 0С с относительными обжатиями 10…
35 % за проход. Размеры исходных пакетов состав-
ляли 16 х 50 х 100 мм при толщине слоя тантала 3
мм.
Для определения предельно допустимого давле-
ния остаточных газов при нагреве и прокатке биме-
талла тантал-ниобий были изготовлены партии ма-
териалов при температуре 1200 0С с обжатием 25% в
вакууме 5.10-6… 2.10-2 Торр. Зависимость прочно-
сти соединения слоев тантала и ниобия от давления
остаточных газов приведена на рис. 1. При механи-
ческих испытаниях образцов из композиций, полу-
ченных прокаткой в вакууме при различных оста-
98
точных давлениях, проявляется три вида разруше-
ния:
• по границе раздела слоёв тантала и ниобия;
• частично по границе раздела, частично по
ниобию (смешанный вид);
• по основному металлу - ниобию.
Рис.1. Зависимость прочности соединения слоев
тантала и ниобия от давления остаточных газов
при нагреве и прокатке пакетов
Разрушение образцов из композиций, получен-
ных при остаточном давлении газов выше 1.10-3
Торр, происходит по границе раздела слоев тантала
и ниобия; при давлениях в интервале 10-3…10-4 торр
характер разрушения образцов смешанный. Это ука-
зывает на некоторое окисление контактных поверх-
ностей ниобия и тантала в процессе нагрева пакетов
в вакууме. Образцы из композиций, полученных
прокаткой при давлениях остаточных газов ниже
1.10-4 Торр, разрушаются полностью по менее проч-
ному металлу композиции - ниобию. Следовательно,
для обеспечения условий формирования прочной
границы раздела слоёв в композиционном материа-
ле, прокатку необходимо проводить при давлениях
остаточных газов ниже 1.10-4 Торр.
Рис.2 Области значений температуры прокатки и
относительного обжатия пакета, соответствую-
щие различным видам разрушения образцов
Дальнейшие эксперименты по изучению влияния
термомеханических режимов прокатки композиции
тантал-ниобий-тантал на прочность границы тантал-
ниобий проводили при давлении остаточных газов
не выше 1.10-4 тор. При проведении экспериментов
натекание в вакуумную систему стана при нагреве и
прокатке не превышало 0,1 л.мк.Торр /с.
Анализ результатов механических испытаний об-
разцов из пакетов, прокатанных при температурах
1000…1300 0С с обжатиями 10…35% за проход, поз-
волил установить связь между температурой, обжа-
тием прокатки и видом разрушения образцов.
На рис.2 показаны три области значений темпе-
ратуры прокатки и относительного обжатия пакета,
соответствующие различным видам разрушения об-
разцов. Образцы из пакетов, полученных по режи-
мам из области 1, разрушаются по ниобию. Прокат-
ка по режимам из области 2 не обеспечивает необхо-
димого качества - вид разрушения образцов смешан-
ный. В пакетах, прокатанных по режимам из обла-
сти 3, качество границы раздела слоёв очень низкое
- образцы разрушаются по границе раздела слоёв.
Зависимости прочности образцов от температуры
прокатки и величины относительного обжатия па-
кета приведены на рис. 3.
Рис.3. Зависимости прочности образцов от темпе-
ратуры прокатки и величины относительного об-
жатия пакета
Таким образом, для получения качественных па-
кетов тантал-ниобий-тантал величины относитель-
ного обжатия пакетов, прокатываемых при темпера-
турах 1000, 1100, 1200 и 1300 0С, должны быть не
менее 30, 26, 20 и 15% соответственно.
Зависимости, установленные при прокатке паке-
тов тантал-ниобий, качественно совпадают с анало-
гичными зависимостями, установленными при про-
катке пакетов тантал-ниобий-тантал. Однако мини-
мальные значения относительного обжатия, обеспе-
чивающие получение качественных соединений тан-
тал-ниобий при различных температурах прокатки,
несколько больше, чем при прокатке пакетов тан-
тал-ниобий-тантал, и составляют 35 ,30 , 25 20% при
температурах 1000 , 1100, 1200 и 1300 0С соответ-
ственно.
Проведенные исследования показали, что для по-
лучения высокой и стабильной прочности соедине-
ния слоёв в композициях тантал-ниобий и тантал-
ниобий-тантал оптимальными условиями являются:
температура прокатки (1200±50) 0С, относительное
обжатие пакетов 24…26%, давление остаточных га-
зов 1.10-45...10-5 торр.
Исследования механических свойств, техноло-
гических характеристик и работоспособности слои-
стых материалов в изделиях проводили на листах и
лентах тантал-ниобий и тантал-ниобий-тантал с
суммарным относительным содержанием тантала
10, 20, 30 и 40%. Механические свойства лент опре-
деляли на плоских образцах с сечением рабочей ча-
сти 5х0.5 мм, образцы перед испытаниями отжига-
99
лись в вакууме 5.10-5 торр в течение 30 мин при тем-
пературе 1100 0С. Испытания при температурах
200…1100 0С проводили в вакууме. Результаты ис-
пытаний механических свойств тантала, ниобия и
композита тантал-ниобий-тантал с 20 и 40% объём-
ной долей тантала приведены на рис.4.
Рис.4. Механические свойства тантала (1), ниобия
(4) и композита тантал-ниобий-тантал с объём-
ной долей тантала20 (3) и 40 % (2)
В табл. 1 приведены результаты техно-логиче-
ских испытаний лент толщиной 0.5 мм из тантала,
ниобия и композита тантал-ниобий-тантал после от-
жига при 1100 0С в течение 30 мин. Глубина вдавли-
вания пуансона и число перегибов лент тантал-нио-
бий - тантал до разрушения слабо зависят от толщи-
ны слоя тантала при суммарном его содержании
10…40% и составляют 80…85% их значений для
тантала. При испытаниях ленты композита разруша-
ются как монолитный материал без расслоения на
составляющие, что указывает на надёжную проч-
ность и сплошность соединения слоёв тантала и ни-
обия.
Поскольку изделия из композитов могут подвер-
гаться термообработкам при повышенных темпера-
турах и длительно эксплуатироваться в области вы-
соких температур, были проведены исследования
взаимной диффузии между танталом и ниобием.
Диффузионные отжиги образцов проводили в ваку-
умных печах при температурах 1300…2000 0С. Кон-
центрационные кривые распределения элементов
снимали на рентгеноспектральном анализаторе МS
– 46 “Cameca”. Проникновение ниобия в тантал оце-
нивалось по концентрации 1,3% (по массе) ниобия,
тантала в ниобий – по концентрации 0,4%.
В табл.2 приведены средние значения глубины
проникновения металлов друг в друга за один час
при различных температурах.
Для определения глубины проникновения метал-
лов друг в друга за t часов значения, приведенные в
табл.2 следует умножить на величину равную корню
квадратному из t . Проведенные исследования поз-
воляют определять необходимые толщины плакиру-
ющего слоя тантала в зависимости от температурно-
временных параметров эксплуатации изделий.
Результаты проведенных исследований легли в
основу разработанной технологии получения круп-
ногабаритных листов тантал-ниобий-тантал с опти-
мальным уровнем эксплуатационных характери-
стик.
Испытания изделий из слоистого материала в
промышленных условиях показали, что работо-
способность их находится на уровне работоспособ-
ности изделий из тантала и в 2-3 раза превышает
работоспособность изделий из сплавов тантала [5].
Использование слоистых листов взамен тантала
позволяет в 3.5 - 4 раза снизить расход остроде-фи-
цитного металла на изделие и тем самым повысить
потенциальные запасы тантала.
Таблица 1
Результаты технологических испытаний лент толщиной 0.5 мм из тантала, ниобия и компо-
зита тантал-ниобий-тантал после отжига при 1100 0С в течение 30 мин
Материал Суммарная тол-
щина тантала, %
Глубина вдавли-
вания пуансона,
диаметр 20 мм
Количество пе-
регибов до разру-
шения,
R = 2мм
Тантал 100 9,7 32
Ниобий 0 7,0 24
Тантал-ниобий-
тантал
10 7,5 26
Тантал-ниобий-
тантал
20 7,7 26
Тантал-ниобий-
тантал
30 7,9 28
Тантал-ниобий-
тантал
40 8,2 29
Таблица 2
Средние значения глубины проникновения металлов друг в друга за один час
при различных температурах.
100
Диффундирующие метал-
лы
Глубина проникновения, мкм, при температурах отжига,0С
1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Ниобий в тантал 0,20 0,48 1,07 2,14 4,05 7,10 11,7 19,8
Тантал в ниобий 0,20 0,52 1,20 2,52 5,05 9,20 16,3 26,5
ЛИТЕРАТУРА
1. В.В. Герасимов, А.С. Монахов. Материалы
ядерной техники. М.: "Атомиздат", 1973.
2. Конструкционные материалы ядерных реакто-
ров. Под редакцией Бескоровайного Н.М. М.:
"Атомиздат", 1977.
3. Ю.В. Жихарев. О качестве поверхности тантало-
вой конденсаторной фольги // Цветные метал-
лы. 1973, №6, с 35.
4. В.Е. Иванов, В.М. Амоненко, А.С. Тронь. Высо-
котемпературная прокатка в вакууме металлов,
сплавов и многослойных материалов // УФЖ.
1978, т.23, №11. с.1782-1789.
5. А.П. Гуляев. Влияние легирующих элементов на
коррозионные свойства тантала// Металлы. 1973,
№3, с.239 - 244.
101
СЛОИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ ТАНТАЛ-НИОБИЙ-ТАНТАЛ
И ТАНТАЛ-НИОБИЙ
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78202 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:57:00Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лопата, А.Т. Неклюдов, И.М. 2015-03-12T19:28:13Z 2015-03-12T19:28:13Z 2000 Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий / А.Т. Лопата, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 98-100. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78202 621.771 Приведены результаты исследований процесса получения прокаткой в вакууме лент тантал-ниобий-тантал, тантал-ниобий и некоторые их свойства.Установлено, что для получения прочного схватывания (30…35 кг/мм²) тантала с ниобием при температуре прокатки 1200 °С в вакууме 1.10⁻⁴…5.10⁻⁵ мм.рт.ст. достаточно обжатия 24…26 %.Показано, что характер зависимости предела прочности и относительного удлинения от температуры (20…1200 °С) испытания лент тантал-ниобий-тантал (20…40 % тантала) аналогичен для ниобия. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы, ядерное топливо и реакторы на тепловых нейтронах Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий Article published earlier |
| spellingShingle | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий Лопата, А.Т. Неклюдов, И.М. Материалы, ядерное топливо и реакторы на тепловых нейтронах |
| title | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий |
| title_full | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий |
| title_fullStr | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий |
| title_full_unstemmed | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий |
| title_short | Слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий |
| title_sort | слоистые материалы тантал-ниобий-тантал и тантал-ниобий |
| topic | Материалы, ядерное топливо и реакторы на тепловых нейтронах |
| topic_facet | Материалы, ядерное топливо и реакторы на тепловых нейтронах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78202 |
| work_keys_str_mv | AT lopataat sloistyematerialytantalniobiitantalitantalniobii AT neklûdovim sloistyematerialytantalniobiitantalitantalniobii |