Меню Главная Случайная статья Настройки Жаропрочные сплавы Материал из https://ru.wikipedia.org Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов — период нового этапа в развитии авиации, связанного с появлением реактивной авиации и газотурбинных двигателей (ГТД). Жаропрочные сплавы могут быть на алюминиевой, титановой, железной, медной[1], кобальтовой и никелевой основах. Наиболее широкое применение в авиационных двигателях получили никелевые жаропрочные сплавы, из которых изготавливают рабочие и сопловые лопатки, диски ротора турбины, детали камеры сгорания и т. п. В зависимости от технологии изготовления никелевые жаропрочные сплавы могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее жаропрочными являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050—1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках[2]. Сплавы, отличающиеся высокой жаропрочностью в сочетании с высокой жаростойкостью называют суперсплавами (англ superalloy). Содержание 1 История 2 Сплавы на основе никеля 2.1 Легирование 2.2 Фазовый состав 2.3 Термическая обработка 3 Жаропрочность 3.1 Длительная прочность 4 Монокристаллические жаропрочные сплавы 5 Сплавы на основе кобальта 5.1 Особенности жаропрочных сплавов на кобальтовой основе 6 Дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы 7 Тугоплавкие сплавы с высокой или средней энтропией (RHEA/RMEA) 8 Диффузионные покрытия 8.1 Процесс пакетной цементации 8.2 Покрытие в газовой фазе 9 Плазменные покрытия 10 См. также 11 Примечания 12 Литература История Первые жаропрочные стали для газотурбинных двигателей были разработаны в Германии фирмой Krupp в 1936—1938 годах. Высоколегированная аустенитная сталь Тинидур создавалась как материал рабочих лопаток турбины на температуры 600—700 °C. Тинидур — сталь аустенитного класса с дисперсионным твердением (Ni3Ti) и карбидным упрочнением. В 1943—1944 гг. годовое производство Тинидур составляло 1850 тонн. Институтом Deutsche Versuchsanstalt fr Luftfahrt (DVL, Немецкий авиационный исследовательский центр) и фирмой Heraeus Vacuumschmelze[англ.] были разработаны аустенитые стали (сплавы по английской терминологии) DVL42 и DVL52 на более высокие рабочие температуры 750—800 °C. Составы сталей приведены в таблице. Наименование %C %Mn %Si %Ni %Co %Cr %Mo %W %Ti %Al % др. элементов Тинидур 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 Германии 1940-х годов среди разработчиков авиационных ГТД существовало стремление повысить температуру газа перед турбиной до 900 °C. С этой целью институт DVL совместно с рядом фирм экспериментировал с аустенитными сложнолегированными сплавами. В ходе войны была признана невозможность подобного решения по причине острого дефицита в Германии легирующих элементов. В результате исследования приняли два направления: 1. создание полых охлаждаемых воздухом лопаток (рабочих и сопловых) при соответствующем снижении легирования используемых материалов; 2. исследование возможностей керамических материалов. Оба направления работ являлись пионерскими, по каждому из них были получены значимые результаты. Первые серии реактивного двигателя Jumo-004A выпускались с 1942 года с монолитными рабочими и сопловыми лопатками из материала Тинидур фирмы Крупп. Позднее заменены полыми охлаждаемыми лопатками из того же материала, что позволило повысить температуру газа перед турбиной до 850 °C (серия Jumo-004E). С 1944 года на серийных модификациях двигателя Jumo-004B применялись полые охлаждаемые рабочие лопатки из менее дефицитной стали Cromadur. К 1942 году в Великобритании создан жаропрочный сплав Нимоник-80 — первый в серии высокожаропрочных дисперсионно-твердеющих сплавов на никель-хромовой основе. Создатель сплава — Уильям Гриффитс (Griffiths W.T.). Основа сплава Нимоник-80 — нихром (80 %Ni — 20 %Cr), известный с начала XX века своей высокой жаростойкостью и высоким электрическим сопротивлением. Ключевыми легирующими элементами сплава нимоник-80 являлись титан (2,5 %) и алюминий (1,2 %), образующие упрочняющую фазу. Количество упрочняющей гамма-штрих фазы в сплаве составляло 25-35 об%[6]. Нимоник-80 использовался в деформированном состоянии для изготовления рабочих лопаток турбины одного из первых газотурбинных двигателей Роллс-Ройс Нин (en:Rolls-Royce Nene), стендовые испытания которого начались в октябре 1944 года. Лопатки турбины из сплава нимоник-80 обладали высокой длительной прочностью при температурах 750—850 °C. В СССР аналогами сплава Нимоник-80 являются никелевые жаропрочные сплавы ЭИ437 (ХН80Т), ЭИ437А (ХН77ТЮ) и ЭИ437Б (ХН77ТЮР), срочным порядком созданные к 1948 году сотрудниками ВИАМ, ЦНИИЧермет и завода «Электросталь» при участии Ф. Ф. Химушина[7]. Основу жаропрочных сплавов, как правило, составляют элементы VIII группы таблицы Менделеева. До 1940-х годов основу жаропрочных сплавов составляли железо или никель. Добавлялось значительное количество хрома для увеличения коррозионной стойкости. Добавки алюминия, титана или ниобия увеличивали сопротивление ползучести. В некоторых случаях образовывались хрупкие фазы, такие, например, как карбиды M23C6. В конце 40-х годов прекратилось, в основном, использование железа как основы жаропрочных сплавов, предпочтение начали отдавать сплавам на основе никеля и кобальта. Это позволило получить более прочную и стабильную гранецентрированную матрицу. В конце 1940-х годов была обнаружена возможность дополнительного упрочнения жаропрочных сплавов путём легирования молибденом. Позже для этой же цели начали применять добавки таких элементов, как вольфрам, ниобий, тантал, рений и гафний. (См. Карбид тантала-гафния, хотя в жаропрочных сплавах гафний не образует подобных карбидов, а повышает прочность и пластичность «механически», вызывая закручивание границ зёрен, т. н. «гафниевый эффект». Помимо этого, он участвует в образовании дополнительных количеств гамма-штрих фазы[8]). Сплавы на основе никеля В 1950-х годах компаниями Pratt & Whitney и General Electric были разработаны сплавы Уаспалой и M-252, легированные молибденом и предназначенные для лопаток авиационных двигателей. Затем были разработаны такие сплавы, как Hastelloy alloy X, Rene 41, Инконель, в том числе Inco 718, Incoloy 901 и др. Согласно оценкам экспертов, за период 1950—1980-х годов химические составы никелевых жаропрочных сплавов изменялись наиболее значительно за счет введения алюминия и замещающих его элементов в ${\displaystyle \gamma }$' фазе. Указанное привело к увеличению объемной доли ${\displaystyle \gamma }$' фазы от 25-35 об.% в сплавах нимоник 80 и U-700 до 65-70 об.% в современных лопаточных материалах[6]. Легирование Жаропрочные сплавы на основе никеля, как правило, обладают сложным химсоставом. Он включает 12 — 13 компонентов, тщательно сбалансированных для получения необходимых свойств. Содержание таких примесей, как кремний (Si), фосфор (P), сера (S), кислород (O) и азот (N) также контролируется. Содержание таких элементов, как селен (Se), теллур (Te), свинец (Pb) и висмут (Bi) должно быть ничтожно малым, что обеспечивается подбором шихтовых материалов с низким содержанием этих элементов, так как избавиться от них в ходе плавки не представляется возможным. Эти сплавы обычно содержат 10—12 % хрома (Cr), до 8 % алюминия (Al) и титана (Ti), 5-10 % кобальта (Co), а также небольшие количества бора (B), циркония (Zr) и углерода (C). Иногда добавляются молибден (Mo), вольфрам (W), ниобий (Nb), тантал (Ta) и гафний (Hf). Легирующие элементы в этих сплавах можно сгруппировать следующим образом: Элементы, образующие с Ni аустенитную ${\displaystyle \gamma }$-матрицу с гранецентрированной кристаллической решёткой — Co, Fe, Cr, Mo и W Элементы, образующие упрочняющую ${\displaystyle \gamma }$' фазу (Ni3X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При этом Ti, Nb и Ta входят в состав фазы и упрочняют её. Элементы, образующие сегрегации по границам зёрен — B, C и Zr К карбидообразующим элементам относятся Cr, Mo, W, Nb, Ta и Ti. Al и Cr образуют оксидные плёнки, защищающие изделия от коррозии. Сплав %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % др. элементов 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 - - Сплав %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % др. элементов 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 Фазовый состав К основным фазам жаропрочных сплавов относятся: Гамма-фаза (${\displaystyle \gamma }$) является матрицей с г.ц.к. кристаллической решёткой. В твёрдом растворе этой фазы содержится большое количество Co, Cr, Mo, W Гамма-штрих (${\displaystyle \gamma }$') фаза образует частицы преципитата, имеющего также г.ц.к. кристаллическую решётку. В эту фазу входят такие элементы, как Al и Ti. Объёмная доля этой фазы, когерентной аустенитной матрице достаточно велика Карбиды. Содержание углерода в сплавах относительно невелико (0,05-0,2 %). Он соединяется с карбидообразующими элементами — Ti, Ta, Hf Зернограничная ${\displaystyle \gamma }$'-фаза. Эта фаза образуется в виде плёнки по границам зёрен в процессе термической обработки. Бориды Выделяются по границам зёрен в виде редких частиц Фазы т. п. у. (топологически плотно упакованные фазы) имеют пластинчатую морфологию. Пример: фазы ${\displaystyle \sigma }$, ${\displaystyle \mu }$ и фаза Лавеса. Эти фазы приводят к охрупчиванию материала и являются нежелательными. Термическая обработка Деформируемые никелевые жаропрочные сплавы содержат в матрице дисперсные выделения карбидов типа MC. Гомогенизационный отжиг даёт возможность подготовить матрицу к получению равномерного распределения частиц упрочняющей фазы ${\displaystyle \gamma }$' в процессе последующего старения. Для примера, для сплава Inco 718 гомогенизационный отжиг продлится в течение 1 часа при 768 °C, а старение проводится в два этапа: 8 часов при 718 °C и 8 часов при 621 °C. После гомогенизационного отжига важно выдержать скорость охлаждения, чтобы препятствовать выделению нежелательных фаз. Охлаждение между этапами старения проводится плавно в течение 2 часов. Жаропрочность Одним из факторов, определяющих жаропрочность, является высокое сопротивление ползучести. Жаропрочность сплавов оценивается пределами длительной прочности или ползучести при высоких температурах, и связана, в первую очередь, с их структурой и составом. По структуре жаропрочные сплавы должны быть многофазными с прочными границами зёрен и фаз[2]. В никелевых жаропрочных сплавах сказанное обеспечивается многокомпонентным легированием. При этом жаропрочность сплавов тем выше, чем больше объёмная доля упрочняющих фаз и чем выше их термическая стабильность, то есть устойчивость против растворения и коагуляции при повышении температуры. Длительная прочность Никелевые жаропрочные сплавы используются при температурах 760—980 °C. Литые жаропрочные сплавы имеют высокую длительную прочность при более высоких температурах. Например, сплав MAR-M246 имеет длительную прочность 124 МПа после 1000 часов выдержки при 982 °C. Жаропрочные сплавы на никелево-железной основе используются при температурах 650—815 °C. Их длительная прочность намного ниже. Сплав 650 °C 100 часов 650 °C 1000 часов 815 °C 100 часов 815 °C 1000 часов 982 °C 100 часов 982 °C 1000 часов Inconel X-750 552 469 179 110 24 Udimet 700 703 400 296 117 55 Astroloy 772 407 290 103 55 IN-100 503 379 172 103 MAR-M246 565 448 186 124 Монокристаллические жаропрочные сплавы В 1970—1980 годы началось применение литых жаропрочных сплавов, полученных методами направленной кристаллизации и монокристаллических сплавов на никелевой основе. Применение этих материалов (на никелевой основе) позволило увеличить прочность и термическую долговечность лопаток газовых турбин. 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 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 - Уже ранний опыт эксплуатации лопаток газотурбинных двигателей Jumo-004 показал (исследования К. Гебхардт, фирма Крупп, Эссен), что на практике срок службы лопаток определяется усталостной прочностью, и подавляющее число разрушений лопаток являются усталостными[11]. Сплавы на основе кобальта Ещё в начале XX века компанией Хэйнс (англ. Haynes) были получены патенты на сплавы системы Co — Cr и Co — Cr — W. Эти сплавы, именуемые «стеллитами» использовались вначале для производства режущего инструмента. и износостойких деталей. В 1930-х годах был разработан литейный Co — Cr — Mo сплав для зубного протезирования Vitallium. Аналогичный по составу сплав HS-21 начал использоваться десятилетие спустя в турбонагревателях и газовых турбинах. Тогда же начали использовать сплав системы Co — Ni — Cr для направляющих лопаток газотурбинных двигателей. В 1943 г. был разработан литейный сплав Co — Ni — Cr — W (X-40) также применяемый при изготовлении лопаток. В 1950—1970 годы были разработаны новые никелевые жаропрочные сплавы, изготовленные путём вакуумной выплавки и упрочняемые за счёт выделения фазы ${\displaystyle \gamma }$'. Это привело к уменьшению использования сплавов на основе кобальта. Особенности жаропрочных сплавов на кобальтовой основе Температура плавления у сплавов на кобальтовой основе — более высокая. По этой причине повышены характеристики длительной прочности. Эти жаропрочные сплавы могут работать при более высоких температурах, по сравнению со сплавами на основе никеля и железа Высокое содержание хрома повышает сопротивление горячей коррозии Сплавы характеризуются повышенным сопротивлением термической усталости и имеют хорошую свариваемость. Дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы Важной проблемой в разработке конструкционных материалов с повышенной прочностью и пластичностью является обеспечение их стабильности и однородности физико-механических свойств во всем интервале температур эксплуатации от криогенных и вплоть до предплавильных температур. В настоящее время наиболее перспективным путем решения этой проблемы является упрочнение базового сплава дисперсными наночастицами тугоплавких оксидов. Такие материалы принято называть ODS (oxide dispersion strengthened) сплавами[12]. Базой для ODS-сплавов наиболее часто служат аустенитные жаропрочные сплавы на основе Ni, Cr и Fe. В качестве упрочняющих частиц, как правило, используют тугоплавкие оксиды Al2O3, TiO2, ThO2, La2O3, BeO и Y2O3. ODS- суперсплавы получают методом механического легирования, который включает следующие стадии: 1) совместное перемалывание в шаровых мельницах порошков исходных компонент суперсплава с добавлением мелкодисперсных конгломератов тугоплавкого оксида; 2) запайка дегазированного порошка в герметичный стальной контейнер; 3) компактирование экструзией; 4) горячая опрессовка; 5) зонная рекристаллизация. ODS- суперсплав (Inconel MA758) на основе оксида иттрия Y2O3 был разработан в 90-х годах прошлого века. Тугоплавкие сплавы с высокой или средней энтропией (RHEA/RMEA) Высокоэнтропийные сплавы (RHEA или ВЭС) и среднеэнтропийные сплавы (RMEA или СЭС) характеризуются почти равным содержанием элементов с высокими температурами плавления, что придаёт им уникальные свойства. Однако большинство RMEA очень хрупкие, а криогенные стали примерно в 20 раз прочнее этих материалов. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) получили RMEA из ниобия, тантала, титана и гафния (Nb45Ta25Ti15Hf15), который смог превзойти криогенную сталь, продемонстрировав при комнатной температуре в 25+ раз более высокую прочность. Этот сплав устойчив к деформации и разрушению в очень широком диапазоне температур (от -196 градусов до 1200 градусов Цельсия), что может привести к появлению нового класса материалов для двигателей следующего поколения[13][14]. Диффузионные покрытия Поскольку турбинные лопатки, изготовленные из литейных жаропрочных сплавов работают при высоких температурах и в агрессивной среде, возникает необходимость в их защите от горячей коррозии. С этой целью используют диффузионные покрытия двух типов, т. н. пакетная цементация и покрытия, наносимые в газовой фазе. В процессе покрытия происходит обогащение поверхностного слоя алюминием и образование алюминида никеля, как матрицы покрытия. Процесс пакетнойцементации Процесс происходит при более низкой температуре (около 750 °C). Детали помещаются в коробки со смесью порошков: активный материал, содержащий алюминий и образующий покрытие, активатор (хлорид или фторид) и термический балласт, например, окись алюминия. При высокой температуре образуется газообразный хлорид (или фторид) алюминия, который переносится на поверхность изделия. Затем происходит распад хлорида алюминия и диффузия алюминия вглубь объема. Образуется т. н. «зелёное покрытие», очень хрупкое и тонкое. После этого проводится диффузионный отжиг (несколько часов при температурах около 1080 °C). При этом образуется окончательное покрытие. Покрытие в газовой фазе Процесс идёт при более высокой температуре около 1080 °C. Активный материал, содержащий алюминий, не находится в непосредственном контакте с изделием. Нет необходимости и в термическом балласте. Процесс отличается диффузией вовне. Также требуется диффузионный отжиг. Плазменные покрытия Более современной технологией защиты лопаток является плазменное напыление термобарьерных покрытий. Как правило, термобарьерное покрытие состоит из нескольких слоев — подслой, слой MeCrAlY, слой керамики (часто применяют оксид циркония, стабилизированный иттрием). Для разных двигателей аттестованы вакуумное или атмосферное плазменное напыление, однако все современные разработки выполняются на атмосферной плазме, как более дешевой в эксплуатации. См. также Хастеллой Инконель Примечания Николаев А. К., Костин С. А. Справочник «Медь и жаропрочные медные сплавы»  (рус.). «Медь и жаропрочные медные сплавы» энциклопедический терминологический словарь: фундаментальный справочник. ДПК Пресс (2012). Дата обращения: 16 октября 2022. Архивировано 16 октября 2022 года. 1 2 Авиация. Энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994, с. 201 Luft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275—279 Pomp A., Krisch A.: Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 und 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940 Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for Use at High Temperature. BIOS Final Report N 396, London, 1946 1 2 Giamei A.F., Pearson D.D., Anton D.L. Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293—307 Туманов А. Т., Шалин Р. Е., Старков Д. П. Авиационное материаловедение. — в кн.: Развитие авиационной науки и техники в СССР. Историко-технические очерки. М.: Наука, 1980, с. 332—334 Суперсплавы II под ред. Симса, Столоффа, Хагеля. Перевод на русский язык. М., Металлургия, 1995, т 1, стр. 29 http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html Архивная копия от 8 января 2017 на Wayback Machine 1 2 3 4 Superalloys  (неопр.). Дата обращения: 29 августа 2007. Архивировано 8 января 2017 года. Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for use at a High Temperatures/ - BIOS Final Report No 396. London 1946, p. 13. К.А. Ющенко, Ю.А. Семеренко, Е.Д. Табачникова, А.В. Подольский, Л.В. Скибина, С.Н. Смирнов, В.С. Савченко. Inconel MA758: новый наноструктурный суперсплав. Акустические и механические свойства в интервале температур 4,2—310 К // Металлофиз. новейшие технол. — 2013. — Т. 35, вып. 2. — С. 225-231. Архивировано 7 ноября 2017 года. Обнаружен невозможный металлический сплав. Science: обнаружен исключительно устойчивый к разрушениям сплав  (неопр.). Лента.ру (23 апреля 2024). Дата обращения: 28 апреля 2024. Дарина Житова. Создан материал, который остается сверхпрочным и вязким при любых температура  (неопр.). Хайтек+ (30 апреля 2024). Дата обращения: 28 апреля 2024. Литература Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. — М.: «Металлургия», 1995. Лекции о суперсплавах на сайте университета Кембриджа Архивная копия от 8 января 2017 на Wayback Machine.