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 σ_B, кГс/мм²	Предел текучести σ_0,2, кГс/мм²	Относительное удлинение δ, %
Растяжение	W[111]	150	85	10
	W[101]	100	97	22
	W[100]	118	102	9,5
Сжатие	W[111]	201	93	11
	W[101]	200	73	35
	W[100]	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
	1650	118	95	23
	1800	88	75	25

Температурная зависимость пределов прочности и текучести монокристаллического молибдена, жаропрочных сплавов на его основе, а также монокристаллического сплава на основе ниобия.

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
МН3	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
МН6	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
НМ	20	715	710	10
НМ	1300	245	240	25

Низкая диффузионная проводимость

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

Материал	Время
Материал	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 (3-6% Nb)	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-тантал (1-3% Ta)	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
Молибден-ниобий (3-6% Nb)	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.