钼金属/合金用于高温加工 (3)
文摘
科学
2024-09-01 08:16
北京
钼在高温下的强度和稳定性使其成为制造高温炉及其固定装置和模具的颇有吸引力材料。图1显示了钼的蒸气压与温度的关系。对于通常真空炉中所遇到的温度和压力范围，如黄色区域所示，钼的蒸气压比炉内气压低几个数量级。因此，在典型的真空炉工作温度下，钼组件的蒸发可以忽略不计。钽和钨的蒸气压比钼低，但价格要贵得多，而且钨比钼要难加工得多，因此只能用于1500℃以上的高温炉。![]()
图2 显示了现代真空炉采用的全金属热区。金属热区为钛、铌和钽等不能允许碳或氧污染的材料提供了最大的真空清洁度。因此，金属热区经常用于航空航天、照明、医疗、电子和粉末注射成型 (PIM) 行业的高温炉中。热等静压 (HIP) 工艺用于粉末材料的固结致密化和改善铸造金属的完整性，它在很大程度上依赖于钼内部组件的高温强度和尺寸稳定性。钼及钼合金被广泛用作热等静压容器的建造材料，并用于加热元件、套筒和支撑结构。图3是一个大型 HIP设备的钼套筒，正被吊装到热区。钼制内部构件被唤醒灯光照亮。![]()
图2 采用全金属热区的真空炉 ©Thermal Technology LLC
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陶瓷加工技术的熔炉固定装置和烧结舟广泛采用钼制造的构件。钼及其合金是烧结陶瓷核燃料的首选材料，电子工业加工氧化物陶瓷是用钼载体在氢气环境中烧结而成。用于烧结陶瓷、难熔金属和钨合金的高温氢气气氛炉（图4）中的钼加热元件具有较长的使用寿命和运行可靠性。![]()
图4 采用钼加热元件的高温氢气气氛炉© CM Furnaces
高温炉构件的长期机械稳定性至关重要。图5 比较了钼与钼基合金TZM 和 MHC的持久寿命。合金化赋予的强度优势和抗再结晶能力体现在钼合金 TZM 和 MHC 在中等温度（<1500℃）下抗蠕变性能的提高。在这些温度之上，碳化物开始重新溶解，显微组织再结晶，合金失去其抗蠕变性能。![]()
图5 Mo、TZM 和 MHC 合金的应力-断裂曲线
重要的是要记住，持久寿命并不是蠕变性能的唯一决定因素。一个使用寿命较长的构件，如果在使用过程中变形严重，可能会因为无法保持其形状而“失效”。抗蠕变性的第二个衡量指标是在蠕变和应力断裂测试期间观察到的稳态蠕变速率。弥散强化合金在高于1500℃的温度下具有优异得多的蠕变速率，如图6所示。在较低温度如标准真空炉所典型的温度下，钼合金TZM 抗变形能力优于弥散强化合金，如图7所示。产生差异的原因是高温和低温下不同的变形机制，以及在 TZM 中提供抗蠕变性的碳化物的溶解。弥散强化合金的高温性能明显十分优越，可用于要求最苛刻的高温炉用途如加热元件(条、丝和缆)，和生产氧化铀核燃料的烧结舟。随着温度的降低，合金之间的相对抗蠕变性会发生变化， 因此用户需要与制造商密切合作，选定合适的材料和热机械加工工艺。![]()
图6 纯Mo和合金Mo-La 在1800℃ 的稳态蠕变速率。TZM在此温度下的蠕变速率与纯 Mo 相似©Plansee SE
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图7 纯Mo、合金TZM和Mo-La 在 1100℃ 的稳态蠕变速率 ©Plansee SE![]()
国际钼协会 （IMOA） 是一个以科学为宗旨的非赢利性行业协会，成立于1989年。目前，其会员代表着全球90%以上的钼矿山产量和几乎全部的冶炼能力。
国际钼协会具有前瞻性的市场开发项目，旨在提高人们对钼的认知，促进钼及含钼材料的应用。通过举办专题讲座和培训，提供技术咨询、出版技术手册、案例研究、行业简报和统计数据以及网站和微信公众号等途径，向制造商、工程师、设计师、材料决策者和广大公众介绍含钼材料的特性及适用性，宣传钼对于可持续发展的积极作用。我们资助科研项目，发现和开发新的应用领域或扩大现有的终端应用。我们还协调业内各方应对法规并利用严谨的科学依据促进法规的合理化。
