(496) 752-90-18
(495) 543-33-63
vvi@istok.sialuch.ru

Монокристаллы тугоплавких металлов

Отделение НТЦ «ИСТОК» ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» обладает замкнутым технологическим циклом производства зонноочищенных (высокочистых) тугоплавких металлов и сплавов, включая монокристаллы, методом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки.

Заготовка из переплавляемого материала и затравочный кристалл в виде стержней различного диаметра, устанавливаются соосно, их концы оплавляются и приводятся в соприкосновение. За последующее удержание расплавленной зоны между заготовкой и затравочным кристаллом отвечают силы поверхностного натяжения расплава. После сплавления начинается продвижение зоны в сторону заготовки. По принципу ориентационного соответствия растущий кристалл приобретает кристаллографическую ориентацию заготовки.

Малотоннажное производство выпускает заготовки в виде прутков и дисков, а также разнообразные изделия из них, такие как длинномерные трубы, профилированные, перфорированные детали.

 

Отличительные особенности монокристаллических тугоплавких металлов и сплавов на их основе

Благодаря отсутствию границ зерен и высокой чистоте по примесным элементам монокристаллы тугоплавких металлов обладают спектром преимуществ по сравнению с традиционными тугоплавкими металлами с поликристаллической структурой:

  • низкая температура хрупкопластичного перехода;
  • стабильность структуры и свойств при высоких температурах;
  • отсутствие рекристаллизации и зернограничного разрушения при низких и высоких температурах;
  • высокая совместимость с ядерным топливом и щелочными металлами;
  • высокая устойчивость к радиационному повреждению;
  • низкий уровень газоотделения при высоких температурах;
  • возможность изготовления изделий с высокой вакуумной работой выхода электронов.

Для изделий, работающих при высокой температуре (1500-1900°С) под нагрузкой, для которых важна геометрическая стабильность, разработаны жаропрочные упрочненные монокристаллические сплавы на основе Mo, W, Nb и др. Такие сплавы работают в широком диапазоне температур и сохраняют высокую стабильность жаропрочных характеристик во времени, с сохранением эффекта упрочнения даже при предплавильных температурах. По сравнению с нелегированными монокристаллами кратковременная прочность сплавов при высоких температурах выше в 3-5 раз, а скорость установившейся ползучести на 3-4 порядка ниже.

Высокая чистота (на примере монокристаллического сплава МН)

Примесные элементы Массовая доля примесей не более, %
Углерод 0,004
Железо 0,005
Аллюминий 0,005
Никель 0,005
Кремний 0,005
Кислород 0,005
Азот 0,001
Вольфрам 0,2
 
Низкое газоотделение

Газовыделение из поли- и монокристаллического молибдена от температуры.

Газ Газовыделение при температуре, м3∙Па/г
400°С 800°С 1200°С 1600°С
поли моно поли моно поли моно поли моно
H2 10-7 10-7 7,5∙10-4 4∙10-5 6∙10-4 8∙10-6 5∙10-4 10-7
CO 10-7 10-7 5∙10-4 5∙10-5 6∙10-4 2∙10-5 8∙10-5 7,5∙10-6
CO2 10-7 10-7 7,5∙10-5 5∙10-6 5∙10-5 1∙10-6 2,5∙10-5 10-7
Пары H2O 10-7 10-7 3∙10-4   7,5∙10-5   3,5∙10-5  
Уникальные механические свойства

Прочностные характеристики монокристаллов вольфрама при 20°С

Вид нагружения Ориентация Условный предел прочности σB, кГс/мм2 Предел текучести σ0,2, кГс/мм2 Относительное удлинение δ, %
Растяжение W 150 85 10
W 100 97 22
W 118 102 9,5
Сжатие W 201 93 11
W 200 73 35
W 273 80 41

Температурная зависимость пределов прочности и текучести монокристаллического вольфрамового сплава.

Сплав Температура испытаний, °С Предел прочности, МПа Условный предел текучести, МПа Относительное удлинение, %
ВТМ 1300 165 150 19
1350 159 144
1400 152 137
1500 136 120
1650 118 95 23
1750 100 82
1800 88 75 25

 

 

Температурная зависимость пределов прочности и текучести монокристаллического молибдена и жаропрочных сплавов на его основе.

Состав Температура испытаний, °С Предел прочности, МПа Условный предел текучести, МПа Относительное удлинение, %
Mo №1 20 465 265 23
1400 27 22 100
1500 24 18 109
1600 12 9 78
Mo №2 20 579 412 10
1400 23 6 50
1600 15 4 30
МН №1 1100 120 103,5 15
1200 107 95 17
1300 108,7 98 16
1300 93 85,8 15
1350 97 88,4 15
1400 105,4 90,7 13
1500 110,7 88,3 21
1650 87,7 73 33
1750 73 63 33
МН №2 1180 178 162 15
1250 171 159 13
1400 171 155 12
1410 168 158 12
1545 160 133 25
1620 147 128 20
1765 121 114 19

Низкая диффузионная проводимость

Количество урана, проходящее через оболочку молибдена толщиной 1мм при 1650°С в течение времени

Материал Время
3 года (эксперимент) 10 лет (прогноз)
Монокристалл молибдена 3*10-8 гр-ат/см2 3*10-6 гр-ат/см2
Поликристалл молибдена 1*10-7 гр-ат/см2 3*10-5 гр-ат/см2

 

Геометрические характеристики

Материал (прутки) Тип Диаметр, мм Длина, мм
Молибден Монокристалл/поликристалл 12-48 650-200
Молибден-ниобий-цирконий Монокристалл/поликристалл 12-30 650-200
Молибден-рений (47% Re) Поликристалл 12-30 450-150
Вольфрам Монокристалл/поликристалл 12-28 500-200
Вольфрам-рений (27% Re) Поликристалл 12-30 350-150
Титан-ванадий (Ti-V) Поликристалл 12-25 500-200
Материал (диски) Тип Диаметр, мм Длина, мм
Молибден Монокристалл/поликристалл 60-150 10-20

Партия прутков из монокристаллического сплава Mo-Nb-Zr и монокристаллические молибденовые диски для охлаждаемых зеркал системы диагностики ИТЭР.

Партия прутков из монокристаллического сплава Mo-Nb-Zr и монокристаллические молибденовые диски для охлаждаемых зеркал системы диагностики ИТЭР

Применение:

  • заготовки для производства зонноочищенного тугоплавкого проката (фольги, проволоки, прутков, труб и т.д.);
  • оболочки твэлов высокотемпературных ядерных энергоустановок;
  • катоды и аноды рентгеновских трубок, электровакуумных приборов;
  • особо чистые мишени для распылительных установок электронной промышленности;
  • подложки для электронной компонентной базы;
  • узлы и элементы высокотемпературных установок и приборов;
  • нагревательные элементы для теплофизических стендов;
  • силовые зеркала для лазерных установок и систем различного назначения;
  • материалы для фундаментальных физических исследований;
  • лопатки и диски высокотемпературных (до 1400°С) турбин.