Общая характеристика жаропрочных никелевых сплавов

Никель – основа наиболее распространенных в настоящее время жаропрочных сплавов, что обусловлено не только его достаточно высокой температурой плавления, но и плотноупакованной ГЦК структурой. При близких гомологических температурах сплавы на основе матрицы с плотноупакованной кристаллической структурой принципиально должны быть более жаропрочными по сравнению со сплавами на основе ОЦК структуры, поскольку в ГЦК решетке диффузионная подвижность атомов значительно меньше, чем в ОЦК решетке со сравнительно неплотной упаковкой атомов.

Чистый никель имеет низкую длительную прочность порядка 40_МПа при 800°С за 100 ч и низкое сопротивление газовой коррозии при высоких температурах. [1]

В настоящее время сплавы на основе никеля являются наиболее распространенными жаропрочными материалами и широко используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах. Эти температуры достигают 0,8Т_пл. Широкое практическое применение сплавов на основе никеля привело к интенсивным исследованиям их структуры и свойств.

Повышенные требования к свойствам жаропрочных сплавов способствовали разработке в последние 10¸15 лет сложных по составу никелевых сплавов. Рис. 2. иллюстрирует успехи в разработке отечественных жаропрочных никелевых сплавов. Так, если первый отечественный сплав на никелевой основе ХН77ТЮ (ЭИ437) по существу содержит три легиру­ющих компонента, то разработанные другие сплавы, к примеру, ЭП741 уже 12 легирующих элементов. Большинство современных жаропрочных никелевых сплавов содержит 12¸13 компонентов, добавляемых в тщательно контролируемых количествах, среди них 10¸20% Cr, около 8% Ti и Al, небольшие количества бора, циркония, углерода и по выбору кобальта, молибдена, ниобия, вольфрама и тантала.

Путем такого комплексного легирования образуются многофазные сплавы, сочетающие в себе самые разнообразные свойства, отвечающие требованиям современного машиностроения. Столь сложный химический состав этих сплавов необходим для формирования определенной структуры и фазового состава, стабильных в условиях длительного воздействия напряжений, интенсивного нагрева и агрессивных сред.

Для никелевых жаропрочных сплавов характерны структуры. Матрица сплава (g-фаза) – представляющая собой твердый раствор на никелевой основе с ГЦК решеткой, обычно с повышенным содержанием элементов, растворяющихся в никеле: кобальта, хрома, молибдена и вольфрама. Упрочняющей – является интерметаллидная g¢-фаза Ni₃(Al, Ti) с упорядоченной ГЦК решеткой. Она образуется при кристаллизации сплава (первичная g¢-фаза), а также при выделении в дисперсном виде из пересыщенного твердого раствора матрицы. Сопряженность решеток g- и g¢-фаз и близость их периодов (несоответствие периодов решетки составляет менее 0,1%) создают возможность образования межфазных границ с низкой поверхностной энергией. Это обусловливает высокую стабильность размеров g¢-фазы.

В рассматриваемых сплавах, как правило, содержится 0,05¸0,2% С, который, взаимодействуя с легирующими элементами, образует карбиды типа МеС. Во время термообработки и в процессе эксплуатации они распадаются на карбиды Ме₂₃С₂₆ и МеС, выделяющиеся часто по границамзерен. В некоторых жаропрочных сплавах наблюдали образование интерметаллидных фаз типа электронных соединений.

К первой группе легирующих элементов относятся элементы, упрочняющие твердый раствор на основе никеля, через изменение электронной структуры твердого раствора. К ним относятся хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, гафний. Помимо упрочнения твердого раствора хром играет активную роль в защите сплавов от окисления; молибден, вольфрам, ванадий образуют в сочетании с хромом различные карбидные фазы.

Ко второй группе легирующих элементов относятся алюминий, титан, ниобий и тантал. Эти элементы, помимо упрочнения твердого раствора, образуют с никелем интерметаллидное соединение типа Ni₃Al часто сложного состава Ni₃(Ti,Al,Nb), являющейся основной упрочняющей фазой жаропрочных сплавов на никелевой основе, прочность дисперсионно-твердеющих сплавов зависит от расстояния между частицами, их размера и объемной доли. Помимо интерметаллидной фазы, карбидообразующие элементы этой группы образуют карбиды типа МеС. Алюминий, так же как и хром, образует защитные оксидные пленки, что также повышает окалиностойкость сплавов.

К третьей группе легирующих элементов можно отнести углерод, бор, цирконий и элементы из группы лантаноидов – лантан, церий, неодим и другие, которые вводятся в малых количествах, составляющих десятые и сотые доли процента. Цель введения этих элементов – образование фаз внедрения, а также упрочнения границ зерен за счет сегрегации по границам зерен, образование специальных фаз, рафинирование металла от вредных примесей, влияние на кинетику фазовых превращений, изменение морфологии выделяющихся фаз.

Жаропрочность сплавов также находится в прямой зависимости от количества упрочняющей фазы, т.к. высокая степень легирования твердого раствора g-фазы вызывает искажения решетки и замедляет диффузионные процессы. Однако основной фактор, влияющий на высокую жаропрочность сплавов – это дисперсионное твердение за счет выделения при старении после закалки частиц g¢-фазы. При этом когерентность решетки частиц g¢-фазы и матрицы сохраняется до высоких температур и приводит к появлению значительных упругих напряжений, препятствующих перемещению дислокаций, а также задержке укрупнения частиц. Жаропрочные свойства никелевых сплавов зависят от размера зерен: влияние увеличения размера зерен на повышение долговечности и сопротивление ползучести – надежно установленный факт. В последнее время большое внимание уделяется исследованиям влияния границ зерен матрицы на жаропрочность сплавов. Установлено, что малые добавки бора могут увеличивать долговечность в 13 раз, а длительную прочность до 2 раз. Такое влияние связывают с сегрегацией этого элемента на границах зерен и замедлением диффузии по ним.

Установлено, что чем больше объемная доля g¢-фазы, тем выше рабочая температура сплава. В связи с тем, что наибольшее влияние на растворимость титана, алюминия, ниобия, тантала оказывает хром, для повышения их количества содержание хрома в жаропрочных сплавах постепенно снижается. Это способствует повышению рабочей температуры сплавов до 1000¸1050°С. По существу, последние композиции жаропрочных сплавов уже не базируются на системе никель-хром, а являются комплексно легированными системами, в которых содержание хрома находится на уровне других легирующих элементов. Объемная доля упрочняющей фазы в таких сплавах доходит до 60%.

Поэтому при использовании жаропрочных сплавов возникает противоречие между целью – обеспечением в изделиях высоких эксплуатационных свойств – и средствами получения таких изделий. Жаропрочные сплавы при эксплуатации должны иметь большое сопротивление деформации, но в технологии требуется их высокая пластичность. Решение проблемы заключается в комплексном подходе, включающем обеспечение достаточной технологической пластичности и последующее восстановление необходимых служебных свойств, которое проводят, как правило, методами термического воздействия.

Дата добавления: 2014-01-06