Теория и технология производства хромистых сплавов
Абдулабеков Е.Э., Каскин К.К. и др.
Алма-Аты, 2010 г.
Жаропрочные сплавы
К жаропрочным относятся сплавы на хромоникелевой или никелевой основе. Содержание хрома в деформируемых жаропрочных сплавах от 8,5-10.5 до 19-22 %, в литейных - от 4-7 до 21-24 %. Основные свойства, присущие жаропрочным сплавам: сопротивление ползучести, длительная прочность, сопротивление усталости. Необходимая жаропрочность достигается: для деформируемых сплавов специальными режимами термообработки и легированием никель-хромовых сплавов кобальтом; литейных - применением особо чистых шихтовых материалов, разливкой в вакууме или среде аргона, гомогенизацией.
Термическая обработка деформируемых сплавов состоит из гомогенизирующей закалки γ-твердого раствора при 1000-1220°С в течение 2-6 ч, охлаждения на воздухе или в вакууме с последующим старением при 750-850°С в течение 8-16 ч и охлаждением на воздухе. Нагрев при температуре гомогенизации переводит составляющие сплава в γ-раствор, а старение при умеренной температуре преследует цель образования мелких частиц интерметаллидов. боридов и карбидов, повышающих жаропрочность.
Тугоплавкие элементы (ванадий, молибден, ниобий, рений и тантал) повышают жаропрочность γ-раствора, а титан, алюминий и ниобий являются элементами - упрочнителями. повышающими жаропрочность вследствие образования при старении интерметаллидных фаз типа Ni3(TiAl) (γ'). Νί3Α1(γ') или Νi3Τi(η). Кроме этих фаз образуются карбиды Сr2зС6, TiC, NbC, карбонитриды TiCN и бориды Cr5В3 (X). Ме3В (γ) также повышающие жаропрочность.
Образование инородных твердых и достаточно тугоплавких фаз, когерентно связанных с γ-твердым раствором, тормозит дислокационные перемещения при высокой температуре под действием механических напряжений, что наряду с повышением термостойкости твердого раствора обусловливает и повышение жаропрочности сплавов.
Высоколегированные сплавы (например, ХН55ВМТФКЮ с 9-12%Сr и ЭП220 с 9-12% Сr, 14-16% Со. < 0.08% С, 2,2-2,9% Ti, 2,9-4,8% А1, 5-7% W, 5-8% Mo, < 0,02% В, < 3,0% Fe, 0,2-0,8% V, < 0,009% S, < 0,015% Ρ, Ni - основа) на 30-40 % состоят из вкраплений кубических γ-фаз и других твердых частиц. Скорость охлаждения в процессе закалки вследствие распада γ-γ' и образования других фаз влияет на свойства сплава тем сильнее, чем сложнее легирование.
Длительный нагрев при закалке влечет за собой обеднение поверхностного слоя изделий легирующими элементами (Ti, Al и др.) и ухудшает их эксплуатационные свойства. Дефектный слой может быть удален резанием, полированием или электрохимическим способом. Жаростойкость в среде воздуха, продуктах горения топлива и других агрессивных газовых средах при высокой температуре зависит от содержания легирующих элементов и определяется рабочей температурой, сроком эксплуатации и составом сплава.
Хром и алюминий повышают жаростойкость в среде продуктов сгорания сырой нефти, мазута, в продуктах горения топлива с примесями морской воды. Если изделия из жаропрочных сплавов предполагается эксплуатировать при температуре выше 800°С в течение длительного времени, их поверхность дополнительно подвергают диффузионной термохимической обработке (алитированню, хромалитированню, эмалированию, напылению тугоплавких оксидов и т.п.).
Деформируемые жаропрочные сплавы выплавляют в вакууме методами высокочастотной индукционной плавки, плазменно-дуговым переплавом, соблюдая высокие требования к чистоте сплавов.
В литейных жаропрочных сплавах образуются те же фазы, что и в деформируемых, но их структура отличается дендритностью. Междендритные объемы содержат, как правило, примеси легкоплавких металлов, оксиды, сульфиды и другие легкоплавкие фазы. Сложнолегированные (например, ВЖЛ-8 содержащие, %: 0,1-0,2 С; 4-7 Сг; 1,8-2,5 Ti; 2,5-3,5 Al; 4,5-6,0 Mo; < 0,06 В; 8-12 Fe: Ni - основа) сплавы при охлаждении упрочняются вследствие быстрого распада твердого раствора (старения, но иногда их нужно подвергать гомогенизирующей закалке при высокой температуре и старению при умеренной температуре.
Изделия из литейных сплавов алитируют в сухих смесях или погружением в жидкий алюминиевый сплав с последующим диффузионным нагревом при высоких температурах. Алитирование и/или хромалитирование повышает сопротивление окислению поверхностных слоев и термостойкость изделия.
Жаропрочные сплавы применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, эксплуатирующихся при высоких температурах, в авиационных реактивных двигателях, ракетостроении и других отраслях новой техники.