Жароміцні сплави

Жароміцні́ спла́ви або суперспла́ви (англ. superalloy) — сплави на нікелевій, залізохромонікелевій, кобальтовій або змішаній основі, що відзначаються високим опором пластичній деформації та руйнуванню в умовах високих температур та окиснювальних середовищ.

Лопатки турбіни із жароміцного сплаву Nimonic 80A у двигуні «Rolls-Royce Nene»

Основними фізико-механічними характеристиками жароміцних сплавів є значний опір повзучості, втомлюваності, а також, висока тривала міцність.

Природа жароміцності

Висока жароміцність сплавів визначається двома основними фізичними чинниками — міцністю міжатомних зв'язків в сплаві і його структурою. Зазвичай необхідну для високої міцності структуру отримують термічною обробкою (гомогенізувальним гартуванням і старінням металів), що приводить до гетерогенізації мікроструктури, а також у процесі легування тугоплавкими хімічними елементами (вольфрамом, молібденом, ванадієм) і елементами-зміцнювачами (титаном, алюмінієм, ніобієм, бором). В цьому випадку зміцнення обумовлене головним чином появою в сплавах рівномірно, розподілених вельми дрібних часток хімічних сполук (інтерметалідів, карбідів та ін.) і мікроспотвореннями кристалічної решітки основи сплаву, викликаними наявністю цих часток. Відповідна структура жароміцного сплаву утрудняє утворення і рух дислокацій, а також підвищує кількість зв'язків між атомами, що одночасно беруть участь в опорі деформації. З іншого боку, високе значення величини міжатомних зв'язків дозволяє зберегти необхідну структуру при високих температурах протягом тривалого часу.

Крім того, високу жароміцність забезпечують, зменшуючи вміст свинцю, олова, сурми, вісмуту і сірки, додаючи рафінуючі елементи (кальцій, церій, барій і бор). Якщо вироби з жароміцних сплавів призначені для тривалої експлуатації при температурі понад 800° С, їхню поверхню додатково піддають дифузійній термохімічній обробці (алітуванню, хромоалітуванню, емалюванню, нанесенню тугоплавких оксидів тощо). Різновидом жароміцних сплавів є композити: сплави, зміцнені дисперсними частинками тугоплавких оксидів або високоміцними волокнами. Такі матеріали характеризуються надзвичайно високою стабільністю властивостей, мало залежних від часу перебування в умовах високих температур.

Класифікація та використання

Жароміцні сплави застосовують для виготовлення деталей двигунів внутрішнього згоряння, парових і газових турбін, авіаційних, суднових і залізничних газотурбінних двигунів, в енергетичному машинобудуванні, тощо.

Жароміцні сплави за умовами роботи можна розділити на 3 групи:

  • сплави, які піддаються значним, але короткочасним (від секунд до годин) механічним навантаженням в умовах високих температур;
  • сплави, які знаходяться під навантаженням при високих температурах протягом десятків і сотень годин;
  • сплави, які призначені для роботи в умовах великих навантажень і високих температур протягом тисяч, десятків, а інколи сотень тисяч годин.

Залежно від цього істотно змінюються вимоги до структури сплаву. Наприклад, будь-яка причина, що обумовлює нестійкість структури сплаву за робочих умов, викликає прискорення процесів деформування й руйнування. Тому сплави, що призначені для тривалої служби, піддаються спеціальній стабілізуючій обробці, яка, хоча і може привести до деякого зниження міцності при короткочасному вантаженні, робить сплав стійкішим до тривалої дії навантажень.

Жароміцні сплави класифікують також, за їх основою: нікелеві, залізні, титанові, берилієві тощо. Назва за основою дає уявлення про інтервал робочих температур, який залежно від прикладених навантажень і тривалості їх дії складає 0,4…0,8 від температури плавлення основи. Залежно від призначення жароміцні сплави виготовляють з підвищеним опором втомі і ерозії, з малою чутливістю до надрізів, термостійкі, для експлуатації при значних, але короткочасних навантаженнях та ін. Наприклад, жароміцні сплави, що використовуються у космічній техніці, повинні мати низьку випаровуваність.

Жароміцні сталі

Перші жароміцні сталі для газотурбінних двигунів були створені у Німеччнині компанією «AG Krupp» у 1936–1938 роках. Високолегована аустенітна сталь тінідур створювалась як матеріал робочих лопаток турбіни на температури 600…700 °C. Тінідур — аустенітна сталь з дисперсним твердненням (Ni3Ti) і карбідним зміцненням. У 1943-44 роках річне виробництво сталі тінідур становило 1850 тонн. Інститутом DVL (нім. Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt — Німецький науково-дослідний інститут авіації) і фірмою «Heraeus Vacuumschmelze AG» були розроблені аустенітні сталі DVL42 та DVL52 для вищих робочих температур 750…800 °C. Склади сталей подані у таблиці.

Хімічні склади німецьких аустенітних жароміцних сталей для газотурбіних двигунів[1][2][3]
Назва %C %Mn %Si %Ni %Co %Cr %Mo %W %Ti %Al % ін.
елементів
Тінідур до 0,14 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14,5-15,5 1,8-2,2 0,2 Fe
основа
DVL42 до 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1,5-2,0 Fe
основа
DVL52 до 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 4-5%Ta
Хромадур 0,9-0,12 17,5-18,5 0,55-0,7 11,0-14,0 0,7-0,8 V 0,60-0,70
0,18-0,23 N2

В Німеччині у 1940-х роках розробники авіаційних ГТД прагнули підвищити температуру газу перед турбіною до 900 °C. З цією метою інститут DVL спільно з низкою фірм експериментував з аустенітними складнолегованими сплавами. У ході війни була визнана неможливість подібного рішення по причині гострого дефіциту в Німеччині легувальних елементів. Перші серії реактивного двигуна «Jumo-004» випускались з 1942 року з монолітними робочими і сопловими лопатками з матеріалу тінідур. Згодом їх замінили пустотілі лопатки з охолодженням з того ж матеріалу, що дозволило підвищити температуру газу перед турбіною до 850 °C (серія «Jumo-004E»). З 1944 року на двигуні «Jumo-004» використовувались робочі лопатки з охолодженням з менш дефіцитної сталі хромадур.

В кінці 1940-х років припинилось, в основному, використання заліза як основи жароміцних сплавів, на користь сплавів на основі нікелю і кобальту. Це дозволило отримати міцнішу і стабільнішу гранецентровану матрицю.

Сучасні жароміцні сталі класифікують за температурою експлуатації. Для роботи при 500...550 °С використовують сталі марок 20X13, 15X11МФ, 13Х14НЗВ2ФР[4], з яких виготовляють лопатки парових турбін, важконавантажені деталі (диски, вали, стяжні болти), що працюють в умовах підвищеної вологості.

Для роботи при 650...850 °С застосовують сталі марок 40Х9С2, 40Х10С2Н, 45Х14Н14В2М[4], з яких виготовляють клапани автомобільних і тракторних двигунів, трубки рекуператорів, теплообмінники.

Жароміцні сплави на основі нікелю
Робоча лопатка ротора турбіни двигуна «RB199», з ливарного нікелевого жароміцного сплаву після експлуатації

До 1942 року у Великій Британії створено жароміцний сплав німонік-80 (80%Ni — 20%Cr) — перший у серії високожароміцних дисперсно-тверднучих сплавів на нікель-хромовій основі. Творець сплаву — Вільям Гріффітс (англ. Griffiths W.T.)[5]. Ключовими легувальними елементами сплаву німонік-80 були титан (2,5%) і алюміній (1,2%), що утворювали зміцнювальну фазу. Кількісний вміст зміцнюючої γ'-фази у сплаві становив 25…35% за об'ємом[6]. Сплав виявив помітну перевагу за жароміцністю над ніхромами чи спеціальними легованими сталями.

Сплави Nimonic-80 та 80A використовувались в деформованому стані для виготовлення робочих лопаток турбіни одного з перших газотурбінних двигунів «Rolls-Royce Nene» компанії «Rolls-Royce Limited», стендові випробування якого розпочались у жовтні 1944 року. Лопатки турбіни із сплаву Nimonic-80 відрізнялись високою тривалою міцністю за температура 750…850 °C. Хімічний склад наступних марок сплавів типу «німонік» подані у нижче приведеній у таблиці.

Аналогами німоніків у США є сплави Інконель, за ГОСТ 5632-72[7] — це сплави ХН60ВТ (Inconel 600, Inconel 601), ХН56МВКЮ (Inconel 617), ХН75МБТЮ (Inconel 625), ХН60Ю (Inconel 718), ХН70МВТЮБ (Inconel X-750), ХН80ТБЮ, ХН77ТЮ, ХН73МБТЮ тощо.

Тоді ж була виявлена можливість додаткового зміцнення жароміцних сплавів шляхом легування молібденом. Згодом, з цією ж метою почали використовувати добавки таких елементів, як вольфрам, ніобій, тантал, реній та гафній[8]).

Легування

Легувальні елементи у жароміцних сплавах на основі нікелю можна згрупувати наступним чином:

  1. Елементи, що утворюють з Ni аустенітну -матрицю з гранецентрованою кристалічною ґраткою — Co, Fe, Cr, Mo і W
  2. Елементи, що утворюють зміцнювальну ' фазу (Ni3X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При цьому Ti, Nb і Ta входять до складу фази й зміцнюють її.
  3. Елементи, що утворюють сегрегації на границях зерен —B, C і Zr.

До карбідоутворюючих елементів належать Cr, Mo, W, Nb, Ta і Ti. Al і Cr, котрі утворюють оксидні плівки, що захищають вироби від корозії.

Типовий хімічний склад деформівних жароміцних сплавів на нікелевій основі[9]
Сплав %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % ін.
елементів
Inconel X-750 73,0 18,0 - - 0,8 2,5 0,9 0,04 - - 6,8% Fe
Udimet 500 53,6 18,0 18,5 4,0 2,9 2,9 - 0,08 0,006 0,05
Udimet 700 53,4 15,0 18,5 5,2 4,3 3,5 - 0,08 0,03 -
Waspaloy 58,3 19,5 13,5 4,3 1,3 3,0 - 0,08 0,006 0,06
Astroloy 55,1 15,0 17,0 5,2 4,0 3,5 - 0,06 0,03 -
Rene 41 55,3 19,0 11,0 10,0 1,5 3,1 - 0,09 0,005 -
Nimonic 80A 74,7 19,5 1,1 - 1,3 2,5 - 0,06 - -
Nimonic 90 57,4 19,5 18,0 - 1,4 2,4 - 0,07 - -
Nimonic 105 53,3 14,5 20,0 5,0 1,2 4,5 - 0,2 - -
Nimonic 115 57,3 15,0 15,0 3,5 5,0 4,0 - 0,15 - -
Типовий хімічний склад ливарних жароміцних сплавів на нікелевій основі[9]
Сплав %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % ін.
елементів
B-1900 64,0 8,0 10,0 6,0 6,0 1,0 - 0,10 0,015 0,1 4,0% Ta
MAR-M200 60,0 9,0 10,0 - 5,0 2,0 1,0 0,13 0,015 0,05 12,0% W
Inconel 738 61,0 16,0 8,5 1,7 3,4 3,4 0,9 0,12 0,01 0,10 1,7% Ta, 3,6% W
Rene 77 58,0 14,6 15,0 4,2 4,3 3,3 - 0,07 0,016 0,04
Rene 80 60,0 14,0 9,5 4,0 3,0 5,0 - 0,17 0,015 0,03 4,0%W

Фазовий склад

До основних фаз жароміцних сплавів належать:

  1. Гамма-фаза () є матрицею з ГЦК кристалічною ґраткою. У твердому розчині цієї фази міститься значна кількість Co, Cr, Mo, W.
  2. Гамма-штрих фаза (') утворює частинки преципітату, що також має ГЦК кристалічну ґратку. У цю фазу входять такі елементи, як Al та Ti. Об'ємна частка цієї фази, когерентної до аустенітної матриці є досить великою.
  3. Карбіди. Вміст вуглецю у сплавах відносно невеликий (0,05…0,2%). Він сполучається з карбідотвірними елементами — Ti, Ta, Hf
  4. Зерногранична '-фаза. Ця фаза утворюється у вигляді плівки по границях зерен в процесі термічної обробки.
  5. Бориди Виділяються на границях зерен у вигляді рідкісних частинок.
  6. Фази топологічно щільно упаковані мають пластинчасту морфологію. Приклад: фази , і фаза Лавеса. Ці фази спричиняють окрихчення матеріалу і є небажаними.

Сплави на основі кобальту

Ще на початку XX століття компанією «Гейнс» (англ. Haynes) були отримані патенти на сплави системи Co-Cr та Co-Cr-W. Ці сплави, що отримали назву «стеліти» використовувались при виготовленні різального інструменту та зносостійких деталей. В 1930-х роках було розроблено ливарний Co-Cr-Mo сплав віталіум (Vitallium®) для зубного протезування. Аналогічний за складом сплав HS-21 став використовуватись десятиліття по тому в турбонагнітачах і газових турбінах. Тоді ж почали використовувати сплав системи Co-Ni-Cr для напрямних лопаток газотурбінних двигунів. У 1943 році було розроблено ливарний сплав системи Co-Ni-Cr-W (X-40), що також знайшов застосування при виготовленні лопаток. У 1950–1970 роки було розроблено нові нікелеві жароміцні сплави, виготовлені шляхом вакуумного плавлення і зміцнювані за рахунок виділення фази '. Це привело до зменшення використання сплавів на основі кобальту.

Особливості жароміцних сплавів на кобальтовій основі
  • Температура плавлення у сплавів на кобальтовій основі є вищою. З цієї причини характеристики тривалої міцності є вищими. Ці жароміцні сплави можуть працювати за вищих температур, у порівнянні зі сплавами на основі нікелю чи заліза.
  • Високий вміст хрому підвищує стійкість до гарячої корозії.
  • Сплави характеризуються підвищеною стійкістю до термічної втоми і мають добру зварюваність.

Монокристалічні жароміцні сплави

У 1970–1980 роках розпочалось використання литих жароміцних сплавів, отриманих методами спрямованої кристалізації й монокристалічних сплавів на нікелевій основі. Застосування цих матеріалів дозволило збільшити міцність і термічну довговічність лопаток газових турбін.

Хімічний склад жароміцних сплавів,
що отримуються методами направленої кристалізації[9]
Сплав %Cr %Co %W %Mo %Ta %Nb %Ti %Al %Hf %B %Zr %C
MAR-M200+Hf 9,0 10,0 12,0 - - 1,0 2,0 5,0 2,0 0,015 0,08 0,14
MAR-M246+Hf 9,0 10,0 10,0 2,5 1,5 - 1,5 5,5 1,5 0,015 0,05 0,15
MAR-M247 8,4 10,0 10,0 0,6 3,0 - 1,0 5,5 1,4 0,015 0,05 0,15
RENE 80H 14,0 9,5 4,0 4,0 - - 4,8 3,0 0,75 0,015 0,02 0,08
Хімічний склад монокристалічних жароміцних сплавів[9]
Сплав %Cr %Co %W %Mo %Ta %Nb %Ti %Al %Hf
Pratt & Whitney № 1 10,0 5,0 4,0 - 12,0 - 1,5 5,0 -
Pratt & Whitney № 2
(3% Re)		 5,0 10,0 6,0 2,0 8,7 - - 5,6 0,1
CMSX-2 8,0 5,0 8,0 0,6 6,0 - 1,0 5,5 -
SRR99 8,5 5,0 9,5 - 2,8 - 2,2 5,5 -

Див. також

Примітки
  1. Luft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275–279
  2. Pomp A., Krisch A. Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 und 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
  3. Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for Use at High Temperature. BIOS Final Report N 396, London, 1946
  4. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
  5. High-Temperature Alloys // Aviation History. 1947, Oct. 30
  6. Giamei A. F., Pearson D. D., Anton D. L. Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293–307
  7. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.
  8. Суперсплавы II / Под ред. Симса, Столоффа, Хагеля. Перевод на русский язык. М., Металлургия, 1995, т 1, стр. 29
  9. H. K. D. H. Bhadeshia Nickel Based Superalloys Архівовано 25 серпня 2006 у Wayback Machine.

Джерела
  • Дурягіна З. А. Сплави з особливими властивостями / З.А. Дурягіна, О. Я. Лизун, В. Л. Пілюшенко. — Л. : Вид-во НУ «Львівська політехніка», 2007. — 236 с.
  • Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. — М. : Металлургия, 1995.
  • Строение и свойства авиационных материалов. — М. : Металлургия, 1989.
  • Лекції про суперсплави на сайті університету Кембриджа.
  • Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. — М. : Металлургия, 1969.

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.