Сплавы на никелевой основе

Длительная прочность

Никелевые жаропрочные сплавы используются при температурах 760—980 °C. Литые жаропрочные сплавы имеют высокоую 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.

Длительная прочность жаропрочных сплавов при трёх температурах, МПа

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
Udimet 700
Astroloy
IN-100
MAR-M246

Сплавы на никелевой основе подразделяют на две группы (см. ГОСТ 5632–72): 1) сплавы, применяемые преимущественно как жаропрочные, и 2) жаростойкие сплавы, обладающие необходимым минимумом жаропрочности (табл.).

Таблица

Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на железо-никелевой основе ^*1

Сталь	Температура, °С	Предел длительной прочности , МПа за время,ч	Предел ползучести^*3, , МПа
			10 000*^2	100 000^*2
ХН30ВМТ			–				210 (1/10^4); 14 (1/10^5)
		–
	150–170	–	100–110		–
ХН35ВТ		–	–
	–	–	220–230	190–200	150–160	170 (1/10^4); 130(1/10^5)
	–	–				110 (1/10^4); 80 (1/10^5)
ХН35ВТЮ		650–680	550–580	520–550	420–450	–
	380–400	320–340	280–320	240–260	–
	300–340	240–300	200–270	170–230	–	250 (0,2/100)
	210–240	150–180	120–160	–	–	130 (0,2/100)
ХН35В5Т		–	–				180 (1/10^4); 130 (1/10^5)
	–	–				120 (1/10^4); 90 (1/10^5)
		–				80 (1/10^4); 60 (1/10^5)
ХН38ВТ		80–90	–		–	–	63 (5/100)^*4
	30–40	–	–	–	–	21 (5/100)^*4
	–	–	–	–	–	9 (5/100)^*4
ХН45Ю			–	–	–	–
		–		–	–
		–	2,5	–	–

^*1 После оптимальной термической обработки.

^*2 Экстраполированные значения.

^*3 В скобках в числителе — деформация в %, в знаменателе — время в ч.

^*4 Определено на конических образцах.

Таблица 12.7

Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на никелевой основе*¹

Сталь	Температура, °С	Предел длительной прочности, , МПа за время, ч	Пределы ползучести^*3, , МПа
				10 000^*2
ХН65ВМТЮ		> 600	–	–			300 (1/10 000)
		–	–			200(1/10 000)
		–	–			120 (1/10 000)
ХН70ВМЮТ							–
	450–500	420–470	400–450	310–350	220–240	200 (1/10 000)
	220–250	210–230	190–220	140–160	–	80 (1/10 000)
ХН70ВМТЮ		480–520	–			–	300 (0,2/100)
	280–300	–			–	170 (0,2/100)
	180–200	–	–		–	170 (0,2/100)
ХН80ТБЮ		–	–	–		300–260	350 (1/10 000)
	–	–	–		170–180	220 (1/10 000)
ХН70МВТЮБ				–	–	–	180 (0,2/100)
			–	–	–	–
ХН67МВТЮ		480–520	–	380–420	360–390	280–320	360 (1/1 000)
	280–300	–	230–250	180–200	120–150	–
	180–200	–	140–160	110–130	70–80	–
	120–140	–	90–100	70–80	40–45	60 (1/1 000)
ХН75МБТЮ		160–170		–	–	–	–
			–	–	–	43 (5/100^)*4
			–	–	–	14 (5/100)^*4
ХН78Т			–	–	32–35	–	–
		–	–	–	–	18(5/100)^*4
		–	–	–	–	7 (5/100)^*4
ХН77ТЮР				–	–		720 (0,2/100)
			–			260 (0,2/100)
		–	–		–	150 (0,2/100)
ХН60Ю		60–80	–	–	40–50	–	–
		–	–	 20	–	24 (0,2/100)
		–	–	–	–	10 (0,2/100)
ХН60ВТ					–	–	83 (5/100)^*4
				–	–	34 (5/100)^*4
ХН70Ю		90–100	–		–	–	–
	35–40	–	–	–	–	25 (5/100)^*4
ХН75ВМЮ		270 (не менее 50 ч); 250 (не менее 65 ч)

^*1 После оптимальной термической обработки.

^*2 Экстраполированные значения.

^*3 В скобках в числителе — деформация в %, в знаменателе — время в ч.

^*4 Определено на конических образцах.

Наиболее часто применяемые сплавы первой группы относятся к системе Ni—Cr—Ti—Al. Присутствие в этих сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650–950 °С, позволяет достигнуть после закалки и отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения, благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni₃(Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым против температурного воздействия при 700–800 °С и выше.

Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы этой группы W и Мо (в сумме до  10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет развитие диффузионных процессов и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем увеличения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800–850 °С и высоких напряжениях.

К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них небольших добавок поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также небольшое содержание в них примесей (S, P, Pb, др.).

Термическая обработка этих сплавов заключается в одинарном или двойном нагреве до высоких температур (1080–1200 °С) с охлаждением чаще всего на воздухе и последующем отпуске при температурах 700–850 °С. Для наибольшей стабилизации исходной структуры применительно к деталям с длительным сроком службы рекомендуется проводить многоступенчатый отпуск при постепенно понижающейся температуре.

Жаропрочные никелевые сплавы изготовляют в виде сортового проката (прутки круглого сечения) и частично в виде поковок различной конфигурации.

Основное назначение этой группы высоколегированных сплавов — изготовление рабочих лопаток и дисков газовых турбин. Диски работают при более высоких напряжениях, чем лопатки (но при несколько пониженной температуре), поэтому материал диска должен иметь высокое сопротивление ползучести (особенно на ободе) и повышенную прочность (в ступичной части).

Прочность сплавов на никелевой основе сохраняется высокой вплоть до температур 800–900 °С. Так, при 800 °С временное сопротивление σ_в наиболее легированных сплавов составляет 700–800 МПа, 100-часовая длительная прочность — 250–300 МПа. В то же время характеристики пластичности δ и ψ удовлетворительны при всех температурах испытания и несколько снижаются в температурном интервале дисперсионного твердения (700–800 °С). Остаточная деформация этих сплавов при испытаниях на длительную прочность при 700–800 °С порядка 3–10 %.

В табл. 12.7 приведены характеристики жаропрочности никелевых сплавов.

На рис. 12.1 приведены характеристики механических свойств широко применяемого в авиации сплава ХН77ТЮР при кратковременном нагружении при температурах 500–900 °С. Зависимость длительной прочности этого сплава и его модификации без бора ХН77ТЮ от времени дана на рис. 12.2.

Рис. 12.1. Зависимость изменения характеристик механических свойств жаропрочного сплава ХН77ТЮР от температуры

Рис. 12.2. Длительная прочность сплавов ХН77ТЮ и ХН77ТЮР

Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности у сплава ХН65ВМТЮ, получившего широкое применение как материал для лопаточного аппарата стационарных газовых турбин ГТ-6, ГТН-9, ГТК-10, ГТК-16, ГТТ-12, ГТА-18, ГТУ-25, ГТУ-100. Этот сплав — основной лопаточный материал в стационарном газотурбостроении. Кроме того, благодаря исключительно высокой релаксационной стойкости этот сплав применяют для изготовления крепежных деталей турбин.

Из жаропрочных никелевых сплавов можно получать детали методом отливки (например, точным литьем по выплавляемым моделям).

Ко второй группе относятся сплавы марок ХН70, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН78Т, ХН60В, ХН75МБТЮ, применяемые преимущественно как жаростойкие. Эти сплавы, за исключением двух последних, отличаются высоким содержанием Cr (20–30 %) и практически гомогенной структурой твердого раствора после принятых режимов термической обработки (нагрев до 1000–1200 °С с охлаждением в воде или на воздухе). Эти сплавы выпускают в виде холоднокатаного или горячекатаного листа преимущественно для деталей газопроводных систем, работающих при умеренных напряжениях в условиях весьма высоких температур (до 1100–1200 °С). У этих деталей кроме достаточной технологичности (прокатываемость, штампуемость, свариваемость) и высокого сопротивления газовой коррозии (окалиностойкость) должно быть хорошее сопротивление термической усталости (термостойкость). Всем этим требованиям отвечают сплавы на никелевой основе.

У жаростойких листовых никелевых сплавов повышена пластичность в холодном и горячем состоянии, но жаропрочность ниже, чем у сплавов первой группы. Так, длительная прочность за 1000 ч составляет 40–60 МПа при 800 °С и 20–25 МПа при 900 °С (табл. 12.7).

Химический состав жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов на никелевой основе приведен в табл. 12.11.

Физические свойства в зависимости от температуры (коэффициент линейного расширения, модуль нормальной упругости, плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость) для коррозионностойких сталей и сплавов приведены в табл. 12.12–12.16.

Дата добавления: 2014-11-18