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Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt


Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt

Feuerfeste Metalle beziehen sich auf Metalle mit Schmelzpunkten über 2000°C. Dazu gehören Wolfram , Molybdän , Tantal , Niob, Rhenium und Vanadium. Die gemeinsamen Eigenschaften von Refraktärmetallen und deren Legierungen sind ein hoher Schmelzpunkt, eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen und eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber flüssigen Metallen. Ihr Einsatztemperaturbereich beträgt 1100~320℃, was viel höher ist als der der Superlegierungen. Daher sind sie wichtige Hochtemperatur-Strukturmaterialien für die Luft- und Raumfahrt. Werfen wir also in diesem Artikel einen tieferen Blick auf die feuerfesten Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt .

Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt

Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt – 1. Tantal und  Tantal  Legierungen

Tantallegierung hat die Eigenschaften einer hohen Hochtemperaturfestigkeit, einer guten Temperaturwechselbeständigkeit und einer hohen Kriechfestigkeit, eines kleinen Ausdehnungskoeffizienten und einer guten Temperaturwechselbeständigkeit. Die Legierung ist jedoch über 500 nicht oxidationsbeständig und muss durch eine oxidationsbeständige Beschichtung auf ihrer Oberfläche geschützt werden.

Um die Anforderungen an Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur-Kriechverhalten zu erfüllen, haben die Vereinigten Staaten Ta-10W, Ta-12W, T-111, T-222 entwickelt , und ASTAR811C-Legierungen. Zusätzlich zu den oben genannten Legierungen hat die ehemalige Sowjetunion auch die Legierungen Ta-3Nb-7,5V, Ta-15W, Ta-20W und Ta-10Hf-5W entwickelt. Die Ta-10W-Legierung wurde in der Brennkammer des Ajina-Raumschiffs und im Nasenkonus der Rakete, im Gasspoiler der Raketentriebwerksdüse und in der Brennkammer von Apollo verwendet.

Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt – 2. Niob und Nioblegierungen

Niob-Legierung ist das Material mit der niedrigsten Dichte unter hochschmelzenden Metallen und Legierungen. Es hat eine hohe Festigkeit bei 1100-1650℃ und eine gute Schweißleistung. Es hat eine gute Plastizität bei Raumtemperatur und kann zu dünnen Platten und Teilen mit komplexen Formen verarbeitet werden. Daher kann es als bevorzugtes Wärmeschutzmaterial und Konstruktionsmaterial in Überschallflugzeugen, Raumfahrzeugen, Satelliten, Raketen und Überschallraketen in geringer Höhe verwendet werden.

Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt haben die Vereinigten Staaten und die ehemalige Sowjetunion ihre eigenen Systeme für Nioblegierungen entwickelt. Die Nioblegierungen der Vereinigten Staaten verwenden W, Mo und Hf als die wichtigsten Verstärkungselemente, und Russland verwendet W, Mo und Zr als die wichtigsten zusätzlichen Elemente.

Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt – 3. Molybdän und Molybdänlegierungen

Obwohl der Schmelzpunkt von Molybdän niedriger ist als der von Wolfram und Tantal, hat es eine niedrige Dichte, einen hohen Elastizitätsmodul, einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und hervorragende Hochtemperatur-Kriecheigenschaften . Die Legierung ist schweißbar und die Festigkeit und Plastizität der Schweißnaht erfüllen die Anforderungen. Und die Prozessleistung ist besser als die von Wolfram. Seine Nachteile sind eine ernsthafte Versprödung bei niedrigen Temperaturen und eine Oxidation bei hohen Temperaturen.

In Russland werden viele Arten von Molybdänlegierungen entwickelt. Zusätzlich zu den Hauptzusätzen von Ti-, Zr-, C- und Re-Elementen wird auch eine kleine Menge von Ni, B, Nb usw. hinzugefügt, um die Materialien zu modifizieren. Die Legierungssorten werden nach dem Gehalt an Legierungselementen eingeteilt. Es gibt 14 Arten von Legierungen. Im Vergleich zu Russland werden in den Vereinigten Staaten weniger Molybdänlegierungen entwickelt, darunter 6 Legierungen wie die Serien TZM, Mo-30W, TZC, HCM und Mo-41~50Re.

Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt – 4. Wolfram und Wolframlegierungen

Wolfram ist das hitzebeständigste Metall. Wolfram hat eine hohe Dichte (19,3 gcm3). Seine Festigkeit ist die höchste unter den Refraktärmetallen. Es hat einen hohen Elastizitätsmodul, einen kleinen Ausdehnungskoeffizienten und einen niedrigen Dampfdruck. Die Nachteile sind Tieftemperatursprödigkeit und Hochtemperaturoxidation. Legierungselemente können die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Wolframlegierungen deutlich verbessern. In der Luft- und Raumfahrtindustrie können Wolfram und seine Legierungen verwendet werden, um Raketendüsen ohne Kühlung, Ionenringe von Ionenraketentriebwerken, Strahlschaufeln und Positionierungsringe, Heißgasreflektoren und Gasruder herzustellen.

Die Verwendung von Wolfram anstelle von Molybdän als Einlassbuchse und Halsauskleidung eines Feststoffraketenmotors kann die Temperatur des Materials von 1760 °C auf über 3320 °C erhöhen. Beispielsweise besteht die Düse der amerikanischen Polaris A-3 Rakete aus Hochtemperatur-Wolframrohren mit 10 bis 15 % Silberpenetration; Auch die Raketendüsen der Apollo-Sonde bestehen aus Wolfram. Die United Aircraft Corporation der Vereinigten Staaten hat ein Wolfram-Kupfer entwickelt Verbundmaterial, das als Düsenleitblech eines Raketentriebwerks verwendet wird und einer Verbrennungstemperatur standhalten kann, die den Schmelzpunkt von Wolfram um 3400 °C überschreitet.

Feuerfeste Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt – 5. Rhenium und Rheniumlegierungen

Rhenium hat einen Schmelzpunkt von 3180°C und hat keine kritische Sprungtemperatur. Es hat eine gute Kriechbeständigkeit unter Hochtemperatur- und extremen Kälte- und extremen Hitzebedingungen und ist für Ultrahochtemperatur- und starke Temperaturschock-Arbeitsumgebungen geeignet. Rhenium ist gegenüber den meisten Brenngasen außer Sauerstoff chemisch inert. Die Zugfestigkeit von Rhenium bei Raumtemperatur beträgt 1172 MPa, und es hat immer noch eine Festigkeit von 48 MPa bei 2200 °C. Bei 2200℃ können Triebwerksdüsen aus Rhenium 100.000 thermischen Ermüdungszyklen standhalten.

Rhenium und seine Legierungen werden hauptsächlich in Luft- und Raumfahrtkomponenten, verschiedenen wärmeempfindlichen Feststoffantriebskomponenten und Antioxidationsbeschichtungen verwendet. Die Rheniumfolie in China hergestellt wurde erfolgreich zur Bergung von Satelliten eingesetzt. Die Re-Mo-Legierung hat immer noch eine hohe mechanische Festigkeit von bis zu 2000 ℃ und kann als Hochtemperaturteile von Überschallflugzeugen und -raketen verwendet werden. Metallrhenium ist beständig gegen Heißwasserstoffkorrosion und weist eine geringe Wasserstoffdurchlässigkeit auf. Es kann verwendet werden, um Wärmetauscherteile für Solarraketen herzustellen. Durch diesen Wärmetauscherteil wird die Wärmeenergie der Sonnenstrahlung auf Wasserstoffgas übertragen und dann wird das Wasserstoffgas in das Rheniumrohr gesaugt , die Schub erzeugt. Die maximale Arbeitstemperatur der Rheniumröhre kann 2500℃ erreichen.

Schlussfolgerung 

Vielen Dank, dass Sie unseren Artikel gelesen haben und hoffen, dass er Ihnen helfen kann, die feuerfesten Metalle und Legierungen für die Luft- und Raumfahrt besser zu verstehen . Wenn Sie mehr über Refraktärmetalle und -legierungen erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen den Besuch von Advanced Refractory Metals (ARM ) für weitere Informationen.

Mit Hauptsitz in Lake Forest, Kalifornien, USA, Advanced Refractory Metals (ARM)  ist ein weltweit führender Hersteller und Lieferant von feuerfesten Metallen und Legierungen. Es bietet Kunden hochwertige hochschmelzende Metalle und Legierungen wie  Molybdän, Tantal, Rhenium , Wolfram, Titan,  und  Zirkonium zu einem sehr konkurrenzfähigen Preis.


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