Дисперсноупрочненные материалы

Портной К.И., Бабич Б.Н.

Металлургия, 1974 г.

Никель

Жаропрочным никелевым сплавам принадлежит ведущая роль в турбостроении, авиационном двигателе- строении, химическом машиностроении и других новых отраслях техники благодаря тому, что в них сочетаются высокая жаропрочность, стойкость против окисления и химической коррозии и технологичность.

Потенциально никелевые сплавы могут быть использованы при температурах до 1200°С, а кратковременно— даже до 1300—1350°С, однако существующие стареющие сплавы при столь высоких температурах очень быстро разупрочняются. В связи с этим в последнее десятилетие ведутся интенсивные разработки дис- перопоупрочненных никелевых сплавов, способных восполнить температурный пробел между эксплуатационными уровнями -никелевых суперсплавов и сплавов на основе тугоплавких металлов.

При 1200°С растворимость углерода и азота в никеле достигает 0,3—0,4% (по массе), тогда как растворимость кислорода составляет около 0,01% (по массе). В связи с этим эффективными упрочнителями никеля могут быть, практически, только тугоплавкие окислы. Максимальной стабильностью в никеле обладает двуокись тория, с использованием которой разработаны упоминавшиеся выше сплавы ТД-никель, ВДУ-1 и др. При  разработке  отечественных  диопероно-упрочненны х никелевых сплавов учитывалось также, что токсичность упрочняющей фазы (Th02) может вызвать серьезные затруднения в их использовании, поэтому параллельно со сплавом ВДУ-4 был создан нетоксичный сплав ВДУ-2, упрочненный двуокисью гафния. Объемное содержание упрочняющей фазы в дисперсноупрочненных сплавах на основе никеля находится в пределах 2—3%. В промышленных масштабах для получения порошков дисперсно- упрочненных никелевых сплавов используются преимущественно методы химического осаждения из растворов солей. Кроме того, фирмой Шеррит—Гордон (Канада) выпускается полностью аналогичный ТД-никелю но составу и свойствам сплав DS-никель, порошки для приготовления которого получают автоклавным восстановлением.

По значениям характериетик прочности дисперсно- упрочненные никелевые сплавы с нелегированной матрицей мало различаются. Гораздо большее влияние на прочность, чем состав, тип упрочнителя и способ получения порошков, оказывает вид и сечение  полуфабрикатов, так как в зависимости от последнего фактора отклонение механических свойств от средних значений может достигать 10—20% [141, 177]. В связи с этим на рис. 34 приведены усредненные данные по температурной зависимости прочности и пластичности для наиболее распространенных промышленных  полуфабрикатов из дисперспоупрочненного никеля.

По длительной прочности и сопротивлению ползучести листовые полуфабрикаты заметно уступают прутковым, что связано с предысторией получения п различиями в текстуре (рис. 35). Однако как для тех, так и для других характерна чрезвычайно высокая стабильность свойств. Например, при 1100°С увеличение долговечности стареющих никелевых сплавов на порядок требует снижения действующего напряжения примерно на 50%, тогда как для дисперсноупрочненных сплавов такое же увеличение долговечности достигается при снижении напряжения всего на 10—15%. Благодаря этому значения 100- и 1000-ч длительной (прочности различаются очень -незначительно (табл. 19).

Благодаря стабильности структуры дисперсноупрочненные никелевые сплавы обладают высоким сопротивлением усталости.

Сплавы ТД-никель, ВДУ-1 и ВДУ-2 обладают высокой технологической пластичностью. Полуфабрикаты из этих сплавов можно обрабатывать практически любыми методами деформации (ковка, штамповка, осадка, «глубокая вытяжка и др.) в широком интервале температур. Показателем высокой технологической пластичности может быть ударная вязкость, составляющая при комнатной температуре 16—18 кгс*м/см² и сохраняющая высокие значения вплоть до предплавильных температур.

По физическим свойствам (рис. 36) дисперсноупроч- ненные никелевые сплавы с нелегированной матрицей практически не отличаются от чистого никеля. С точки зрения условий высокотемпературной эксплуатации очень важно сохранение в них высокой теплопроводности, втрое превышающей теплопроводность стандартных жаропрочных сплавов.

При обычных методах сварки дисперсноупрочненных сплавов в зоне расплавления происходит агломерация упрочняющей фазы с потерей жаропрочности. В связи с этим для соединения деталей из сплавов типа ТД-ннкель необходимо применять либо высокотемпературную пайку, либо диффузионную сварку без расплавления. В настоящее время разработаны методы диффузионной сварки, при которых прочность швов достигает 100% прочности основного материала [209], а также высокотемпературные припои, обеспечивающие равнопрочность шва с основным материалом при 8—10-кратной нахлестке.

Если рабочая температура деталей не превышает 1100°С, могут применяться и методы сварки оплавлением с присадочными материалами.

Например, дуговая сварка вольфрамовым электродом с присадкой сплава Хастеллой-Х позволяет получить соединения с прочностью при 1093°С до 90% от прочности дне- нерсиоунрочиенного никеля [210]. Следует, однако, иметь в виду, что сопротивление высокотемпературной ползучести в таких швах определяется соответствующими свойствами присадочных материалов.

Жаростойкость дисперсноупрочненного никеля зависит от природы и стабильности упрочняющего окисла. Так, в работе [211] при исследовании скорости окисления никеля с 3—5% ThO2, HfO2, ZrO2, TiO2 пли А12О3 было установлено, что добавки ТiO2 отрицательно влияют на жаростойкость уже при температурах выше 900°С, а добавки А12O3 — при температурах выше 1200°С, причем в этих условиях указанные окислы в виде самостоятельных фаз в окалине не обнаруживаются. Такие окислы, как ThO2, HfO2 и ZrO2, содержатся в окалине даже при температуре 1300°С и положительно влияют на жаростойкость.

При окислении дисперсноупрочненного никеля рост окалины подчиняется параболическому закону и лишь в начальной стадии действует логарифмический закон [212]. Переход от логарифмического к параболическому закону окисления определяется временем формирования внутреннего слоя окалины. Например, для сплава Ni+5% НЮ2 при 800°С перехода к 'параболическому закону не наблюдается и после 6-ч выдержки, при 900°С он происходит через 2 ч, а при 1000°С внутренний слой окалины формируется настолько быстро, что на кинетической кривой окисления вообще не существует излома [213].

Образование двухслойной окалины характерно и для чистого никеля, однако при введении упрочняющих окисных частиц внутренний слой формируется быстрее. При длительном высокотемпературном окислении внутренний и наружный слои растут по параболическому закону, при этом, так как внутренний слой имеет меньший дефицит катионов, энергии активации роста этих слоев различны. По данным [214], для ТД-никеля общая энергия активации окисления в интервале температур 900—1400°С составляет 56,7 ккал/моль при значениях энергии активации 48,5 ккал/моль для внутреннего слоя и 59,5 ккал/моль для внешнего слоя.

Упрочняющие окислы концентрируются преимущественно во внутреннем слое окалины и не влияют заметно на жаростойкость. Одной из причин более высокой жаростойкости дисперсноупрочненных никелевых сплавов по сравнению с техническим никелем является, по- видимому, меньшее содержание примесей. Вследствие высокой чистоты матрицы и особой структуры сплавы типа ТД-никель практически не подвержены межкристалл итной коррозии как при высокотемпературном окислении на воздухе, так и в продуктах сгорания, содержащих серу, ванадий и другие активные агенты [212].

Скорость окалинообразования на ТД-никеле и его аналогах практически не меняется при переходе от непрерывного к циклическому окислению [215], образующаяся стекловидной формы окалина не имеет тенденции к отслаиванию и растрескиванию даже при весьма продолжительных 1выдержках. Единственным продуктом окисления является закись никеля, что подтверждается хорошим совпадением экспериментально определяемой толщины окалины с рассчитанном из данных по привесу (табл. 20).

Дальнейшее повышение стойкости нелегированных дисперсноупродненных сплавов против окисления достигается с помощью защитных покрытий. Применительно к ТД-никелю разработаны хромоалюминиевые покрытия, являющиеся надежной защитой при температурах до 1200°С и кратковременно — даже до 1300°С [216].

Существенным недостатком дисперсноупрочнениых сплавов с нелегпрованной матрицей является относительно невысокий уровень прочности при комнатной и умеренных температурах. В этом отношении известные преимущества имеют сплавы с легированной матрицей, в первую очередь сплавы с хромом, обладающие одновременно повышенной жаростойкостью. В табл. 21 приведена температурная зависимость свойств сплава ТД- нихром, содержащего 20% Сr в твердом растворе па основе никеля и 2% ThO2. Как видно из приведенных данных, положительное влияние легирования матрицы на прочность сохраняется до 800°С.

При введении хрома в никелевую матрицу скорость высокотемпературной ползучести снижается [217], так как коэффициент объемной самодиффузии, а также энергия дефекта упаковки матрицы уменьшаются. Скорость уста полившейся ползучести сплава ТД-нпхром является показательной функцией напряжения, причем значение показателя степени при а зависит от ориентации образцов по отношению к направлению деформации при .получении полуфабрикатов.

Жаростойкость сплава ТД-нихром выше жаростойкости стандартных никельхромовых сплавов, что объясняют присутствием в окалине ТhО2 [2:18]. Окисная пленка обладает хорошей адгезией и при высоких температурах скорость окисления контролируется процессом образования и испарения СгО3 [219].

Еще большего повышения прочности при комнатной и средних температурах можно достичь легированием никелевой матрицы молибденом (или вольфрамом). По сравнению с никельхромовыми сплавами никельмолиб- деновые сплавы сохраняют повышенную прочность до более высоких температур, однако, как и первые, выше 1000°С уступают по жаропрочности сплавам с нелегированной матрицей