Жаропрочные сплавы

Среди химических элементов таблицы Д. И. Менделеева имеются металлы, которые плавятся уже при температуре около 30С. Но в то же время есть группа тугоплавких металлов, для плавления которых требуется температура 3000С и выше.
Ясно, что строительные материалы для будущих космических кораблей должны быть или очень теплоемкими, или тугоплавкими. К ним относят пять металлов: бериллий, ниобий, молибден, тантал и вольфрам.
Бериллий в отличие от остальных четырех металлов этого списка не является тугоплавким. В ряду металлов, расположенных по температурам плавления, бериллий занимает скромное место где-то в третьем десятке. Плавится он при температуре 1315С. Но это очень легкий по весу и в то же время прочный металл. Он в пять раз легче меди. Жесткость и прочность его мало изменяются при нагреве до 650С. Бериллий обладает большой теплопоглощающей способностью. Каждый килограмм его способен поглотить тепла в 15 раз больше, чем такой тугоплавкий металл, как платина. Эти свойства, по мнению некоторых специалистов [24], и позволяют использовать бериллий для постройки корпусов и теплопоглотительных экранов будущих космических кораблей. Интерес к бериллию во многих странах быстро растет. В 1958 году в США было произведено 48 т этого металла, в 1959 году-уже около 120т. Через несколько лет планируется [24] повысить производство бериллия до 5000т. Металлурги и технологи стремятся увеличить пластичность этого металла, металловеды изыскивают способы очистки его от примесей.
Бериллий очень дорогой металл. Дороговизна его объясняется не только трудностью получения, но и ограниченностью месторождений бериллиевых руд.
Большое будущее ученые предсказывают редкому металлу ниобию. Его выплавка растет из года в год. В 1958 году в США было произведено 12т ниобия, в 1959 году-20т, в 1961 году поедполагается произвести 60т и в 1970 году-8000т.
Удельный вес ниобия почти такой же, как и меди. Однако этот металл плавится при температуре около 2500С. В убывающем ряду тугоплавких металлов ниобий занимает пятое место. Считают, что ниобий сохраняет прочность при температурах до 1400С. А обычные стали, из которых строятся современные "земные" машины, при таких температурах начинают плавиться.
Широкое применение ниобия в настоящее время ограничено прежде всего его высокой стоимостью. Кроме того, пока еще несовершенны методы получения ковкого ниобия. К тому же при высоких температурах (выше 1100С) он быстро окисляется. Однако последний недостаток ниобия как строительного материала для космических кораблей не снижает его ценности, так как сопротивление ниобия окислению можно повысить, вводя в состав сплава такие химически стойкие металлы, как тантал.
Чистый ниобий-очень пластичный металл. Пруток диаметром менее 20мм прокатывается без всякого нагрева в фольгу толщиной в папиросную бумагу. Прочность ниобия при температурах, когда обычная сталь становится мягкой, как воск, изменяется незначительно. Все эти ценные качества выдвигают ниобий в первые ряды жаропрочных материалов.
Редкий металл тантал - один из самых тугоплавких элементов. Он переходит в жидкое состояние при 3027С. Это серебристо-белый металл, тяжелее меди в два раза. По цвету тантал похож на платину, а сплавы тантала с медью не только по цвету, но и по химическим свойствам напоминают золото.
Наиболее характерной особенностью этого элемента является его необычайно высокая устойчивость против воздействия различных кислот и щелочей. Даже смесь соляной и азотной кислот, так называемая "царская водка", в которой растворяются золото и платина, не оказывает заметного действия на тантал. Но хотя тантал в обычных условиях и не ржавеет, он подобно другим жаропрочным металлам при высоких температурах нуждается в защите от окисления.
В 1958 году в США было получено около 200т тантала [24]. Полагают, что через несколько лет вследствие усовершенствования технологии его производства тантал станет вдвое дешевле.
Большой интерес проявляют специалисты к танталовольфрамовому сплаву, содержащему около 7 процентов самого тугоплавкого металла - вольфрама. Этот сплав способен противостоять температурам до 1900С. Другой танталовый сплав, содержащий 10 процентов вольфрама, пригоден для изготовления сопел ракетных двигателей.
Из всех жаропрочных металлов самое большое внимание конструкторов и металлургов западных стран привлекает молибден. Технология его получения в настоящее время разработана лучше, чем технология получения других тугоплавких металлов. Молибденовые сплавы обладают многими качествами, необходимыми для работы в условиях высоких температур.
Известно [24], что уже сейчас молибден и его сплавы имеют промышленное значение и идут на изготовление листов, пластин, полос, проволоки и труб. Стоит молибден в США значительно дешевле, чем другие тугоплавкие металлы.
Однако технология изготовления деталей из молибдена всё еще несовершенна.
Кроме того, подобно большинству других жаропрочных металлов, молибден заметно окисляется уже при температуре 800⁰ С. Окислы молибдена летучи. Поэтому при длительном высокотемпературном нагревании деталь, изготовленная из молибдена, буквально тает на глазах - испаряется.
Сильная окисляемость молибдена при высоких температурах является самым серьезным препятствием для использования этого металла при постройке носовых конусов ракет, возвращаемых в атмосферу Земли. Поэтому на Западе усиленно разрабатываются способы защиты поверхности молибденовых деталей от окисления.
Молибден без защитных покрытий используют для изготовления сопел ракетных двигателей и других деталей, рассчитанных на короткий срок службы при температурах около 2200С.
Большое внимание специалисты уделяют вольфраму. Из всех известных металлов он обладает самой высокой температурой плавления-3410С. Чтобы вольфрам расплавился, нужна температура, лишь в два раза меньшая, чем температура поверхности Солнца.
Из этого металла долгое время вытягивали лишь нити для ламп накаливания, и только сравнительно недавно были разработаны приемлемые способы прокатки и литья деталей из вольфрама [24]. Огромная прочность этого металла сильно затрудняет обработку вольфрамовых деталей.
Вольфрам имеет большой удельный вес. Он в 7 раз тяжелее алюминия и в II раз тяжелее бериллия. Если обшивку корабля сделать из вольфрама, то стартовый вес космического корабля значительно возрастет.
Конечно, список материалов космической техники не ограничивается только пятью тугоплавкими элементами. Для будущих спутников и межпланетных кораблей потребуются сплавы, защищающие человека от космического облучения. Для ажурных и в то же время прочных конструкций космических аппаратов потребуются сплавы, в несколько раз более прочные, чем существующие ныне. Новые научные открытия в физике твердого тела, в металлургии и технологии металлов приводят к созданию новых материалов космической техники. Это будут, очевидно, очень теплоемкие материалы с весьма низкой теплопроводностью, самовозгоняющиеся "жертвенные" пластмассы и т. п.