MoSiBTiC — упрочнённый карбидом титана (TiC) молибден–кремниево–борный (Mo–Si–B) жаропрочный сплав. Впервые получен японскими учеными в группе профессора Кёсукэ Ёсими из университета Тохоку в 2014 году.

Физические свойства Способен выдерживать механическую нагрузку от 400 до 137 МПа при температурах 1100—1400°C. По своим прочностным характеристикам в интервале температур 1150—1400 °С вдвое превосходит монокристаллические суперсплавы на основе никеля, однако уступает последним в прочности при кратковременной и долговременной нагрузке в интервале температур 950—1000°C. Модуль Юнга сплавов MoSiBTiC изменяется в пределах 325–270 ГПа в интервале температур 24–1200 °C, что значительно превышает изменение данного параметра (140–90 ГПа) монокриталлических никелевых сплавов в направлении при тех же температурах. Обладает высокой трещиностойкостью (квазистатический коэффициент интенсивности напряжений Kq = 15–20 МПа·м¹/²). По физико-механическим характеристикам отвечает требованиям к конструкционным материалам для подвижных и неподвижных частей газотурбинных установок.

Химический состав Существенным ограничением использования молибдена в составе высокотемпературных сплавах является его окисление до оксидов при температурах выше 300°С. После 700°С существенным с точки зрения коррозии сплава становится испарение (возгонка) оксида молибдена(IV), составляющего защитную оксидную пленку, что делает невозможным использование молибденовых изделий при этой температуре. Введение в состав легирующих элеменетов таких как бор, титан, кремний, хром позволяют замедлить данный процесс, а также несколько увеличить жаростойкость сплавов и существенно увеличить их жаропрочность за счет увеличения температуры плавления.

Для повышения стойкости молибдена к окислению применяют совместное легирование бором и кремнием Si (Mo–Si–B-сплавы), что способствует формированию защитного стекловидного слоя интерметалида Mo₅SiB₂, обеспечивающего уменьшение потери массы сплава на стадии окисления. Mo₅SiB₂ обладает высокой жаростойкостью однако обладает высокой хрупкостью относительно чистого молибдена и снижает трещиностойкость сплавов с его участием. Для увеличения трещиностойкости в состав сплава Mo–Si–B могут вводиться различные компоненты, среди которых одним из наиболее удачных оказался карбид титана, что привело к созданию группы высотемпературных сплавов группы MoSiBTiC.

Первое поколение сплавов MoSiBTiC Сплавы MoSiBTiC первого поколения представляли собой сплавы Mo–Si–B с добавкой карбида титана и имели следующий элеменетный состав (мольные. %): молибден – 65%, кремний – 5%, бор – 10 %, титан – 10%, углерод – 10 %. Фазовый состав включает слеюущие фазы: α-Mo (46%), Mo₅SiB₂ (36%), (Ti, Mo)C (18%). Плотность 8.8 г/см3, температура плавления 1920 °C. Предел длительной прочности σ, МПа (T - температура °C, τ - время, ч): σ = 400; σ = 170; σ = 137.

Химическая стойкость Несмотря на высокие физико-механические свойства, сплав MoSiBTiC умеренно стоек при долгосрочной работе в окислительной среде при температурах выше 800°C за счёт образования летучего оксида хрома(IV). По этой причине его эксплуатационные возможности, по сути, незначительно отличаются от чистого молибдена. Увеличение стойкости к окислению было реализовано за счёт снижения доли молибдена в сплаве во втором поколении сплавов MoSiBTiC, а также в применении напыляемых защитных покрытий, включающих системы Si–Al или Si–B с наполнителем Al2O3 и галогенсодержащими добавками хлорида или фторида аммония, а также фторида натрия.

Второе поколение сплавов MoSiBTiC Химический и фазовый состав сплавов MoSiBTiC второго поколения отличается от сплавов первого поколения этой группы более высоким содержанием титана и кремния, и, как следствие, появлением новой силицидной фазы Ti₅Si₃, а также возможным введением в состав хрома. В первом случае перспективным оказался сплав состава 38Mo–17Si–5B–20Ti–10TiC (цифрами дано мольное соотношение) со значительно улучшенной стойкостью к оксилению в диапазоне 1100–1300 °C. Вариация сплава с хромом имеет следующий базовый состав (мольные %): молибден – 36%, кремний – 14%, бор – 6 %, титан – 28%, углерод – 6 %, хром – 10%. Сплав второго поколения содержит 4 фазы: α-Mo, Mo₅SiB₂, карбиды титана TiC и новую фазу силицида титана Ti₅Si₃. В результате оптимизации состава сплавы второго поколения обладают меньшей плотностью (плотность 7.1 г/см3) и более высокой удельной прочностью, при сохранении неизменной температуры плавления (1920 °C). Образование Ti₅Si₃ увеличило жаростойкость сплава, а легирование хромом повысило стойкость к окислению при температуре 800 °C благодаря образованию защитного слоя оксида хрома.

Методы получения Для получения сплавов MoSiBTiC в лабораторных условиях используют слитковую металлургию, направленную кристаллизацию, механическое легирование, порошковую металлургию, аддитивные технологии, селективное лазерное плавление. Однако экономически эффективная промышленная технология выплавки и изготовления сложных деталей из этих сплавов до сих пор не разработана. Наиболее распространён простой металлургический метод выплавки слитков вакуумно-дуговой плавкой с неплавящимся электродом и наклонной разливкой.

Примечания

Литература

Категория:Сплавы Категория:Жаропрочные сплавы