Обзор сплавов рения

Рениевые сплавы имеют чрезвычайно важное значение для современной промышленности, особенно для новых и стратегических отраслей: микроэлектроники, аэрокосмонавтики, нефтехимии. Уникальные свойства рения Re (температура плавления 3177°С, кипения – 5627°С, твёрдость по Виккерсу – до 7840 МПа, модуль упругости при 298К – 470 ГПа), позволяют создавать с его использованием, так называемые, суперсплавы, физико-химические характеристики которых заметно превосходят параметры других тугоплавких сплавов и индивидуальных металлов.

Сплавам рения свойственны:

• физическая стабильность при температурах свыше 1800-2000°С;
• коррозионная устойчивость в агрессивных средах;
• стойкость к охрупчиванию и усталости в условиях термического нагружения;
• низкая склонность к испарению;
• кислотоупорность;
• твёрдость и пластичность;
• вибропрочность, формоустойчивость, износостойкость;
• повышенное удельное электросопротивление;
• хорошая свариваемость.

Из сплавов рения делают специальные детали, которые способны дольше других работать в экстремальных условиях эксплуатации. В качестве примеров можно назвать:

• элементы ответственных конструкций сверхзвуковой авиационной и ракетно-космической техники (сопла, носовые насадки, лопатки газовых турбин и т.п.);
• катализаторы риформинга, используемые при производстве высокооктанового бензина;
• электроды термопар ядерных реакторов для измерения температур до 2000°С и более;
• нити накаливания для вакуумных ламп, аноды генераторных ламп;
• ёмкости для перевозки соляной кислоты и многое другое.

Рисунок 1. Термопары с электродами из сплава ВР

Рисунок 2. Генераторные лампы с анодами из рения

На сегодняшний день известны и широко используются сплавы рения с вольфрамом (W), молибденом (Mo), вольфрамом и молибденом, никелем (Ni), танталом (Ta), платиной (Pt), родием (Rh), осмием (Os) и рядом других металлов. Наибольшее распространение в плане масштабов производства получили парные и мультикомпонентные сплавы рения с молибденом (МР), вольфрамом (ВР), платиной, никелем.

Молибден-рениевый сплав

Одним из наиболее востребованных представителей системы молибден-рений выступает группа сплавов на основе молибдено-рениевого порошка МР-47 (Mo-Re47), представленная двумя марками МР-47 ВП и МР-47 ЗВП. Число 47 в марке указывает на процентное соотношение рения в сплаве, а литеры «В» и «П» – вакуумная плавка.

Продукция

Марка МР-47 – молибдено-рениевый порошок (ТУ 48-19-316-92). Под маркой МР-47 ВП выпускают слитки, штабники, заготовки и полуфабрикаты различного назначения (по ТУ 48-19-250-77), фольгу (ТУ 48-1-271-77), прутки и проволоку (ТУ 48-19-254-77). Марка МР-47 3ВП используется для изготовления проволоки (по ТУ 48-19-228-76) диаметром 60-3000 мкм и длиной от 2 до 500 метров.

Рисунок 3. Трубы из сплава молибден-рений

Химический состав

• Марка МР-47 – Mo (основа) более 50%, Re – 42-47%, примеси: O (0,009%), N(0,001%), H (0,01%).
• Марка МР-47 ВП – Mo (основа) более 50%, Re – 42-47%, примеси: N (0,002%), O (0,009%), H (0,001%), Sn, Pb, P, As (суммарно до 0,005%), Fe, Al, Cu, Mg, Ca, Zn (суммарно не более 0,04%).
• Марка МР-47 3ВП – Mo (основа) более 50%, Re – 42-47%, примеси: N (0,002%), O (0,005%), H (0,0007%), Sn, Pb, P, As (суммарно до 0,005%), Fe, Al, Cu, Mg, Ca, Zn (суммарно не более 0,05%).

Свойства

• Рабочая температура – 0-500°С.
• Температура плавления – 2500°С.
• Температура рекристаллизации – 1350-1400°С.
• Плотность: 15,296 г/см³.

Применение

Из молибден-рениевых полуфабрикатов производят детали электронных и электротехнических устройств различного назначения, упругие элементы (пружины, спирали и т.п.) электровакуумных приборов и т.п.

Одним из наиболее востребованных представителей системы молибден-рений выступает группа сплавов на основе молибдено-рениевого порошка МР-47 (Mo-Re47), представленная двумя марками МР-47 ВП и МР-47 ЗВП. Число 47 в марке указывает на процентное соотношение рения в сплаве, а литеры «В» и «П» – вакуумная плавка.

Вольфрам-рениевый сплав

Сплав вольфрама (температура плавления 3410°С) с рением – это один из самых жаропрочных и износоустойчивых материалов на сегодняшний день. Основные марки сплава: ВР5, ВР20, ВР27, ВР-27ВП. Цифры в маркировке указывают на процентное содержание рения. Литеры «ВП» обозначают, что при производстве материала использовалась вакуумная плавка. Другие марки: ВАР-5 (W – 94,25-95,75%, Re – 4,25-5,75%), ВАР-5-АП ВР-20-А, ВР-20-Б, ВР-20-В, ВР-20-Г, ВР-27ЗВП.

Продукция

Марки ВР5 и ВР20 используются для производства термопарной проволоки (ТУ 11-75). Под маркой ВР27 выпускается фольга, полосы (ТУ 48-19-270-85), проволока (ТУ 48-19-190). Марка ВР-27ВП – пруток (ТУ 48-19-190-82).

Рисунок 4. Проволока из сплава вольфрам-рений

Химический состав основных марок

• Марки ВР5 и ВР20 – W (основа), Re 5 (±0,5)% и 20 (±0,5)% соответственно, примеси не более 0,1%.
• Марка ВР27 – W (основа) 70-76%, Re 24-30%, примеси Mo, Fe, Cu, Mg, Al, As, Ti, Mn, Si, Nb, S, P, Ca, Zn суммарно не более 0,06%.
• Марка ВР-27ВП – W (основа) 70-76%, Re 24-30%, примеси Al, Fe, Ni, Ca, Mg суммарно не более 0,05%. В пределах этого объема допускается использование присадок высокотемпературных оксидов алюминия (Al2O3), калия (K2O), натрия (Na2O).

Свойства

• Устойчивость к высокотемпературной коррозии.
• Жаростойкость, тугоплавкость, пластичность.
• Хорошие показатели упругости проволоки (до 38 000 кг/мм²) при высоких температурах от 0°С до 2500°С.
• Стабильность физических характеристик при работе в газообразных средах (гелий, сухой азот, аргон, водород).

Применение

Прутки и проволоку используют для производства жаропрочных пружин, сеток, контактов, подогревателей и катодов для электронных приборов, нагревателей высокотемпературных вакуумных печей, в том числе, работающих в среде инертных газов, трубчатые оболочки тепловыделяющих элементов атомных станций. Из вольфрамо-рениевой проволоки делают термоэлектрические преобразователи (термопары) без покрытия для измерения температуры до 1800°С и с покрытием, для температур до 2500°С в твердых и газообразных средах. В неокислительной среде специальные термопары из сплава вольфрама с рением способны работать с температурами до 2750°С, а кратковременно – до 3000°С.

Сплав рений-вольфрам-молибден

Наряду с парными сплавами в промышленности используют мультикомпонентные (тройные) сплавы рения с вольфрамом и молибденом. Наиболее известным представителем системы Re-Mo-W, является сплав на основе вольфрама марки МВР27 ВП с содержанием рения ~ 27%, получаемый методом вакуумного сплавления металлических порошков. Рениевый эффект обеспечивает сплаву оптимальную пластичность и жаропрочность в высокотемпературной среде.

Продукция

Из сплава марки МВР27 ВП производят полуфабрикаты в виде прутка, полос, листов или кругов.

Рисунок 5. Чешуйки из сплава молибден-вольфрам-рений

Химический состав

МВР27 ВП – W (основа) более 50%, Mo до 20% и Re от 20% до 27%. Примеси Al, Fe, Ni, Ca, Mg Mn, Si, Nb, S суммарно не более 0,1%. Указанная выше массовая доля рения определяется тем обстоятельством, что при его добавлении в пределах 20-27% материал приобретает максимальную пластичность. Это препятствует хрупкому разрушению сплава, к чему склонны молибден и вольфрам в чистом виде. При содержании рения более 28% пластичность сплава снижается.

Свойства

• Физическая прочность и пластичность (высоко- и низкотемпературная).
• Коррозийная стойкость в агрессивных средах.
• Хорошая обрабатываемость.
• Высокая излучательная способность и электросопротивление в области высоких температур.

Применение

Полуфабрикаты из сплава рения с вольфрамом и молибденом используют для изготовления высоковольтных выпрямительных электроламп и электровакуумных приборов, прямонакальных катодов для магнетронов. В отличие от чисто вольфрамовых аналогов они прочнее и имеют больший срок службы.

Сплав платина-рений

Сплавы системы платина-рений (Pt-Re) условно делят на две группы: декоративную (для производства ювелирных изделий) и технологическую (для химической промышленности). Это парные или многокомпонентные сплавы, где рений присутствует в относительно небольших объёмах, выступая в роли легирующего элемента. Добавление рения позволяет улучшить качественные характеристики платины в литом состоянии, которая в чистом виде имеет недостаточную твёрдость и износостойкость.

Продукция

Содержащие рений платиновые сплавы выпускают в форме твёрдой проволоки диаметром от 0,02 до 6 мм с предельным отклонением 0,04 мм, а так же в виде тонкодисперсного порошка, реже – в виде прутков и отливок.

Рисунок 6. Слитки из сплава платина-рений

Химический состав

Перечислим несколько наиболее распространённых соотношений масс компонентов в системе платина-рений (Pt-Re).

Технологические сплавы

• Pt 99% - Re 1%.
• Pt 95% - Re 5%.

Ювелирные сплавы

• Pt ~ 88-90%, Re 0,5-2,5%, Pd 0,5-8%, Y 0,01-0,1%.
• Pt ~ 80 98%, Re 0,5-10%, Pd 1-19%, Ti, Zr, V – суммарно до 0,05%.

Свойства

Для ювелирного сплава системы Pt-Re характерны:

• пластичность;
• твёрдость;
• благородный металлический блеск.

Технологическим сплавам платина-рений в дополнение вышеперечисленному свойственны:

• жаростойкость;
• устойчивость к рекристаллизации;
• работа при температурах до 1000°С при знакопеременных нагрузках;
• устойчивость к воздействию кислот и солей.

Применение

Ювелирные и декоративные изделия (художественное литьё, монеты, зубные протезы, медали, значки). Сетки катализаторов для каталитического риформинга нефтепродуктов, окисления аммиака в азотную кислоту, обезвреживания выхлопных газов, испарений в лакокрасочном производстве, газов промышленных печей и так далее. Срок службы платинорениевых катализаторов составляет 3-6 лет.

Сплав никель-рений

Жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС) легированные рением получили широкое распространение в электрохимической индустрии, современном судо-, машино-, авиа-, ракетостроении. Сегодня известны десятки марок системы никель-рений с разным содержанием Re в составе, разработанных в России (ЖС26У, ЖС30, ЖС32, ЖС28, ЖС6УМ, ВЖЛ20, ЖС36 и ЖС40, ВЖМ4, ЖСКС1 и 2, и т.д.), США (Rene, CMSX, PWA, EPM, RR), Японии (TMS), Франции (MC2, MC-NG, AM), Германии (LEK). Россия является производителем современных и перспективных сплавов системы Re-Ni, многие из которых превосходят по жаропрочности аналогичные зарубежные сплавы последнего поколения.

Продукция

Полуфабрикаты никель-рениевых сплавов выпускаются в виде литых прутковых (шихтовых) заготовок, слитков различных форм (круги, плиты), гранул и порошка разной фракции.

Рисунок 7. Заготовки из сплава никель-рений

Химический состав

В числе наиболее востребованных и применяемых марок отечественных Re-Ni сплавов можно назвать ЖС36ВИ и ВЖМ4.

• ЖС36ВИ – Ni (основа) 60,3-70,8%, Re 1,8-2,3%, Cr 3,5-4,5%, Co 5-9%, Mo 1-2,2%, W 11-12,5%, Nb 0,7-1,5%, Al 5,5-6,2%, Ti 0,7-1,5%.
• ВЖМ4 – Ni (основа) 36,7%, Re 3,3%, Ru 4,7%, La 9,3, P 13,3%, Cr 4,7%, Co 6,7%, Mo 7,7%, W 1,5%, Al 0,7%, Ta 10,2%.

Свойства

• Высокая жаропрочность.
• Высокие характеристики длительной прочности (способность работать десятки тысяч часов при температурах до 1100°С и напряжениях).
• Стойкость к окислению и коррозии при высоких температурах.
• Устойчивость к термомеханической усталости (образованию трещин, микропор и т.д.).

Применение

Сплавы никель-рений (Ni-Re) используют для производства рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей гражданских реактивных самолётов и военных истребителей, стратегических и космических ракет, энергетических газовых установок, кернов оксидных катодов.