Влияние легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов

Чистый никель не отличается высокой жаропрочностью: при 800°С его . При легировании никеля хромом его длительная прочность возрастает на 25-30% в результате увеличения сил межатомный связи.

Алюминий сильно повышает жаропрочность, что обусловлено формированием упрочняющей g¢-фазы (Ni Al), количество которой возрастает от 5 до 42% с увеличением количества алюминия от 0,5 до 4%.

Легирование титаном до 2,5-3% способствует образованию интерметаллида Ni Ti, что вызывает повышение длительной прочности, но рабочие температуры при этом несколько меньше, чем при упрочнении Ni Al.

Кобальт входит в состав g¢-фазы, замещая никель, но основная доля его растворяется в -фазе. Кобальт повышает пластичность и вязкость сплавов, увеличивает жаропрочность никелевых сплавов.

Ванадий, ниобий, тантал вводят в никелевые сплавы для легирования g¢-фазы, упрочнения -твердого раствора и формирования карбидов. Ванадий стабилизирует структуру сплава, распределяясь в - и g¢-фазах, и повышает жаропрочность сплава.

Хром, растворяясь в -фазе, увеличивает длительную прочность при 700-750°С, но снижает ее при очень высоких температурах из-за ускорения диффузионных процессов.

Вольфрам, распределяясь поровну в - и g¢-фазах, тормозит диффузионные процессы и поэтому повышает жаропрочность.

Молибден растворяется в g¢-фазе частично, большая часть его находится в твердом растворе, но при высоком содержании молибдена возрастает склонность сплавов к внутреннему окислению, особенно при высоких температурах и длительных выдержках. Поэтому в наиболее жаропрочных сплавах (ЖС6 и др.) содержание молибдена ограничивают 1-2%.

В никелевых сплавах содержится углерода менее 0,12%: при снижении углерода до 0,03% снижается долговечность и длительная прочность, при большем содержании снижается пластичность. Желательно, чтобы в сплавах выделялись простые карбиды типа MeC и Me C.

Легирование никелевых сплавов ниобием и танталом способствует стабилизации карбидов типа MeC.

Введение сотых долей процента бора и циркония увеличивает долговечность в 13 раз, относительное удлинение в 7 раз, длительную прочность в 2 раза. Бориды располагаются по границам зерен, заполняя межузельные промежутки в приграничной зоне, существенно уменьшая способность границу зерен порождать вакансии, вызывающие переползание дислокаций. Таким образом, микролегирование бором, цирконием, церием (0,1%), магнием (0,1%), гафнием (3,5%), рением (2%) ведет к упрочнению границ зерен, а именно: с разрушения границ зерен начинается разрушение жаропрочных сплавов при высоких температурах. Наиболее высокие жаропрочные свойства достигаются при комплексном легировании никелевых сплавов.

Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов.Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки и старения (табл. 4). Температура закалки должна быть достаточна для наиболее полного растворения g¢-фазы. Она обычно составляет 1080-1220°С, охлаждение осуществляют на воздухе. Иногда применяют двойную закалку, повторная закалка проводится с более низких температур (1000-1050°С).

Цель первой закалки - перевести в перенасыщенный - твердый раствор возможно большее количество упрочняющих фаз.

При нагреве под повторную закалку выделяются более полно и коагулируют карбиды.

В сплавах с большим количеством g¢-фазы (45-50%) по границам зерен кроме карбидов выделяются крупные частицы g¢-фазы, что повышает жаропрочность после окончательной упрочняющей термообработки. Двойная закалка обеспечивает более высокие пластические свойства состаренных сплавов по сравнению с одинарной закалкой.

Карбиды, выделяющиеся при 1000-1050°С, равномерно распределяются по объему; в случае одинарной закалки карбиды образуют сплошную сетку по границам зерен, снижающую пластичность. Старение проводят при температуре 700-950°С, при этом из пересыщенного -твердого раствора выделяется g¢-фаза. Высокодисперсная структура сплавов остается стабильной длительное время (тысячи часов) при высокой температуре. При длительном воздействии высоких температур происходят структурные изменения: коагуляция и растворение частиц упрочняющей g¢-фазы, формирование по границам зерен зон, обедненных карбидообразующими элементами, выделение фазы Ni Ti пластинчатой формы. Жаропрочные никелевые сплавы подвергают часто ступенчатому старению, причем температура второй ступени несколько ниже, чем первой.

Цель ступенчатого старения – наиболее полное выделение g¢-фазы, что обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные характеристики по сравнению с одинарным старением.

Литейные сплавы также можно подвергать высокотемпературной закалке, которая гомогенизирует их структуру и способствует более равномерному выделению упрочняющих фаз.

Старение для этих сплавов чаще проводят в одну высокотемпературную стадию, т. к. литейные сплавы обычно работают при более высоких температурах.

Иногда эти сплавы используют в литом состоянии, причем старение происходит в процессе эксплуатации.

Жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта разбивают на деформируемые, литейные и дисперсноупрочненные.

Жаропрочные деформируемые сплавы.Структура и механические свойства жаропрочных деформируемых никелевых сплавов зависят от сочетания режимов обработки давлением и термической обработки. Предварительная горячая деформация, сопровождающаяся рекристаллизацией, приводит к образованию мелкозернистой структуры. На заключительной стадии производства полуфабрикатов проводят рекристализационный отжиг, а также закалку и старение. В другом случае в процессе деформации проходит избирательная рекристаллизация по границам зерен с формированием частично рекристаллизованной структуры типа “ожерелье”. Такая структура имеет крупное исходное нерекристаллизованное нагартованное зерно (d =0,05-0,1мм), окаймленное сеткой мелких рекристаллизованных зерен той же -фазы (d =0,005-0,015мм). Последующая термообработка состоит из неполной закалки и одно- или многоступенчатого старения. Сплавы характеризуются высокой прочностью, сопротивлением ползучести, длительной прочностью и повышенным сопротивлением малоцикловой усталости. Повышение жаропрочности обусловлено развитой полигонизованной структурой, а повышенное сопротивление малоцикловой усталости связано с окантовкой крупных зерен.

Сплав ХН78Т (ЭИ435) применяется для изготовления труб и листов для камер сгорания, работающих ограниченный срок при 1000°С и кратковременно до 1200°С.

После закалки 980-1020°С и охлаждения сплав имеет высокие механические свойства, сваривается всеми видами сварки. Сплав имеет способность к глубокой вытяжке при штамповке.

Сплав ХН77ТЮР отличается высокой жаропрочностью и пластичностью при повышенных температурах, что обусловлено благоприятным влиянием бора; обладает хорошей выносливостью при циклических нагрузках и высоким сопротивлением окислению до 900°С.

Сплав подвергается упрочняющей термообработке: закалке при 1080°С; =8ч, охлаждение на воздухе. Старение при 700°С, =16 ч, с охлаждением на воздухе. Структура сплава состоит из -твердого раствора легирующих элементов в никеле, интерметаллидной фазы g¢ на основе Ni Al (10%), карбидов титана и хрома. Сплав хорошо сваривается электрошлаковой сваркой, хорошо штампуется, хорошо обрабатывается резанием. Для повышения жаропрочности не рекомендуется дробеструйная обработка, лучшие результаты дает шлифование и полирование.

Сплав ХН70ВМТЮ (ЭИ617) обладает еще большей жаропрочностью после дополнительного легирования вольфрамом и молибденом, так как в структуре сплава образуется более сложнолегированный -твердый раствор; при увеличении в сплаве количества алюминия и титана увеличивается количество g¢-фазы Ni (Ti, Al) c 16 до 20%. После двойной закалки при 1190 и 1050°С и старения при 800°С сплав имеет высокие механические свойства и жаропрочность.

Для рабочих лопаток турбин с ограниченным сроком службы при 900-950⁰С и длительным сроком службы (10000ч) при 700-800⁰С применяют сплав ХН55ВМТФКЮ (ЭИ 929). Высокие жаропрочные характеристики сплава обеспечиваются легированием g-твердого раствора кобальтом, который одновременно повышает пластические свойства сплава благоприятным влиянием бора и TiC; кроме того, увеличивается количество g¢-фазы (Ni₃Al) или (Ni,Co)₃(Al,Ti) до 36-38%.

Закалка 1190⁰С на воздухе и ступенчатое старение при 1000⁰С (τ=8ч) и 950⁰С (τ=8ч) позволяют получить высокую жаропрочность.

В условиях контакта с оксидами железа сплав склонен к язвообразованию, для предохранения от которого следует применять алитирование или хромирование поверхности.

Жаропрочные никелевые сплавы с большим количеством g¢-фазы имеют низкие технологические свойства, и получение из них деформированных полуфабрикатов из слитка представляет сложную проблему. Многие технологические трудности решаются порошковой и гранульной технологией, например, для сверхлегированных сплавов для интегральных роторов, которые нельзя изготовить традиционными способами.

Жаропрочные литейные сплавы.По химическому составу близки к высокожаропрочным деформируемым сплавам, но обычно содержат большее количество алюминия и титана.

Литейные сплавы имеют следующие преимущества: более высокие жаропрочные свойства в результате большей легированности сплавов; меньшую трудоемкость изготовления деталей, возможность получения пустотелых водоохлаждаемых лопаток.

Основной недостаток этих сплавов – пониженная пластичность, особенно в интервале рабочих температур.

Структура литейных сплавов состоит из γ-твердого раствора, g¢-фазы, количество которой иногда достигает 50-60%, карбидов и боридов. Титан образует с углеродом малорастворимые карбиды типа TiC, а в присутствии азота - карбонитриды Ti(C,N). Карбиды титана с никелем образуют эвтектику, которая располагается в междендритных пространствах. Возможно образование сложных карбидов других металлов.

Боридные фазы Cr₃B₂, а также более сложные бориды (Mo,W)_nCr_mB₂ или (Mo,W,Cr)₃B₂ скапливаются на границах зерен.

Наиболее известны сплавы серии ЖС: ЖС3, ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф.

ЖС3 - сплав, работающий до температуры 850°С, используется для изготовления лопаток соплового аппарата ТРД, турбостартеров методом точного литья. Сплав ЖС3 легирован γ-стабилизирующими элементами (хромом, молибденом, вольфрамом) и g¢-образующими элементами (алюминием, титаном) .При закалке g¢-фаза полностью растворяется в γ-твердом растворе. Сплав обладает высокой окалиностойкостью до 950-1000°С.

Сплав ЖС6К отличается от ЖС3 меньшим содержанием хрома и большим содержанием всех остальных легирующих элементов; дополнительно легирован кобальтом; предназначен для изготовления деталей, работающих при температурах газа 800-1050°С. Закаливают сплав на воздухе с температур 1210-1230°С, а затем подвергают старению при 950°С в течение 2ч. Микроструктура сплава ЖС6К после закалки и старения состоит из γ-фазы, крупных частиц γ¢-фазы, образовавшейся при кристаллизации и не полностью растворившейся при нагреве под закалку, и более мелких, почти кубической формы, выделений γ¢-фазы, сформировавшихся при старении. Общее содержание g¢-фазы составляет 45%. Сплав обладает довольно высокой технологичной пластичностью, поэтому из него изготовляют деформированные полуфабрикаты (в этом случае его маркируют ЖС6КП).

Новое направление повышения жаропрочности литейных никелевых сплавов состоит в получении методом направленной кристаллизации монокристаллических лопаток с заданной кристаллографической ориентацией. В лопатках с монокристаллической структурой отсутствуют поперечные границы зерен, по которым проходит высокотемпературное разрушение, что и обуславливает их более высокую жаропрочность.

Рабочие лопатки газовых турбин являются деталями, наиболее нагруженными механически и термически, поэтому материалы для их изготовления должны быть жаропрочными, устойчивы против удара, усталости и окалиностойкости, должны хорошо обрабатываться давлением и резанием. Для их изготовления используется кобальтовый сплав ЛК4. Сплав применяется в литом виде. Структура после литья состоит из неоднородного твердого раствора хрома, никеля, молибдена на кобальтовой основе в виде дендритов, эвтектики, располагающейся между ветвями дендритов и карбидов.

Наличие карбидов делает способным сплав к закалке и старению. Длительная жаропрочность сплава при 700°С и выдержке в течение 100 ч составляет около 250 МПа.

Дисперсноупрочненные сплавы на никелевой основе.Дисперсноупрочненные сплавы на никелевой основе (ВДУ-1;ВДУ-2;ВДУ-3) получают методом порошковой металлургии. Структура сплавов состоит из металлической матрицы, которой служит никель (ВДУ-1;ВДУ-2) или никельхромовый твердый раствор (ВДУ-3). Дисперсное упрочнение сплава ВДУ-1 обеспечивает оксид тория, поэтому сплавы токсичны. Сплавы ВДУ-2 и ВДУ-3 упрочнены нетоксичной двуокисью гафния. Дисперсно-упрочненные сплавы отличаются тем, что количество упрочняющей дисперсной фазы редко превышает 5%, она некогерентна к матрице и частицы тугоплавких оксидов инертны по отношению к матрице. Поэтому сплавы ВДУ-1,ВДУ-2 способны к холодной пластической деформации, тогда как для сплава ВДУ-3 допустима холодная деформация лишь с малыми обжатиями (≤10%).

Структура полуфабрикатов этих сплавов представляет собой ориентированные в направлении деформации рекристаллизованные зерна размерами 300-500 мкм в поперечнике. Зерна пронизаны мелкими двойниками отжига, расположенными преимущественно под углом 45⁰ к направлению деформации.

По прочностным характеристикам при комнатной и умеренных температурах у ВДУ-1 и ВДУ-2 составляет s_в=500-550 МПа, а ВДУ-3 легированного хромом s_в=850-950 МПа.

По жаропрочности они превосходят классические дисперсионно-твердеющие сплавы, их целесообразно применять при 1100-1200°С.

Оборудование и принадлежности

Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов жаропрочных сталей и сплавов, справочные материалы, альбомы с фотографиями микрошлифов сплавов.

Порядок выполнения работы

1 .Ознакомиться с методическим руководством «Изучение структуры жаропрочных сталей и сплавов».

2. Исследовать под микроскопом микроструктуры сталей и сплавов по лабораторной коллекции и сравнить с описанием фотографий шлифов, представленных в альбоме.

3. Привести по справочным данным химический состав определенных по микроструктуре сталей и сплавов, ознакомиться с влиянием легирующих элементов и термической обработки на формирование структуры стали и сплава.

4. Оформить отчет, в котором описать микроструктуру рассмотренных сталей и сплавов, схематично зарисовать каждую структуру, выписать по приложению (см. табл.1-4) по каждому образцу вид термообработки и свойства материала, его применение.

Вопросы для контроля

1. Какие стали и сплавы относятся к жаростойким и жаропрочным?

2. Каково влияние легирующих элементов на жаростойкость и жаропрочность сталей и сплавов?

3. Какова рабочая температура жаропрочной стали с аустенитной структурой?

4. Какова рабочая температура сплава на основе никеля?

5. Как упрочняются стали с аустенитной структурой?

6. Какова структура жаропрочного сплава на никелевой основе с добавлением кобальта?

7. Как влияет на прочность жаропрочных сталей и сплавов механическая обработка?

Рекомендуемая литература

1. Арзамазов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов Н.М. Силаева В.И. Материаловедение.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003.-711с.

2. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов – М.: МИСИС, 1999.-415 с.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.-М: Машиностроение, 1990.-528 с.

4. Фетисов М.Г., Карпман В.М., Матюнин В.С. и др. Материаловедение и технология металлов.-М.: Высшая школа, 2001.-635 с.

5. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур: Справочник. – М.: Металлургия, 1991.- Кн.1. – 382 с.; Кн.2.- 830 с.

Приложение

Таблица 1