Основные группы жаропрочных материалов.

Перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали используются при температурах 450-700 °С и по масштабам применения занимают ведущее место. Ниже 450 °С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными сталями.

Жаропрочные сплавы на основе алюминия, магния и титана легче сталей, однако они менее жаропрочны и используются при следующих температурах (табл. 14.7): сплавы алюминия - до (исключением являются сплавы САП, их можно применять до 500-550 °С); сплавы магния - до 300-350 °С; сплавы титана - до 500-600 °С. Указанные сплавы, несмотря на более высокую стоимость, применяют там, где из-за повышенных эксплуатационных температур невозможно использовать обычные сплавы этих металлов и нельзя применить стали из-за более высокой плотности.

Сплавы на основе никеля или кобальта жаропрочнее сталей. Сплавы на основе никеля применяют при температурах 700 - 1000 °С, а кобальтовые сплавы не получили широкого применения из-за дефицитности.

ТАБЛИЦА 14.7. (см. скан) Жаропрочность сплавов на основе алюминия, магния, титана

Материалы высокой жаропрочности, применяемые при температуре выше - это тугоплавкие металлы и их сплавы, керамика на основе графит.

Перлитные стали. Эти стали предназначены для длительной эксплуатации при температурах 450-580 °С и используются главным образом в котлостроении. Критерием жаропрочности для них является предел ползучести с допустимой деформацией 1% за 104 или Жаропрочность перлитных сталей обеспечивается выбором рационального химического состава и полученной в результате термической обработки структурой легированного феррита с равномерно распределенными в нем частицами карбидов.

Перлитные жаропрочные стали являются низкоуглеродистыми, содержат от 0,08 до 0,15% С (иногда содержание углерода повышают до 0,2 — 0,3 %) и не более карбидообразующих элементов, из которых самые важные — молибден, хром и ванадий (табл. 14.8) .

Оптимальной термической обработкой являются нормализация после нагрева до и последующий отпуск при температуре 650-750 °С в течение 2-3 ч.

Для перлитных жаропрочных сталей особенно важна стабильность исходной структуры и свойств, так как изготовленные из них трубы и другие части теплоэнергетических установок эксплуатируются годами. В исходном состоянии основная масса молибдена находится в феррите, а ванадий, хром и углерод карбидах типа МС.

В условиях длительной эксплуатации в перлитных сталях происходит изменение химического состава феррита и карбидов; сфероидизация и рост карбидных частиц; графитизация - разложение карбидов с выделением свободного графита.

Особенно опасна графитизация, так как образование графита приводит к аварийным разрушениям. Наиболее устойчив против графитизации карбид МС, а наименее стоек карбид М3С. Легирование ванадием и хромом, а также отпуск после нормализации увеличивают термическую устойчивость карбидов и стабилизируют свойства материала.

ТАБЛИЦА 14.8. (см. скан) Свойства жаропрочных сталей и никелевых сплавов

Перлитные стали пластичны в холодном состоянии, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются. По теплопроводности и тепловому расширению они близки к обычным конструкционным сталям.

Стали, содержащие 0,12-0,15% С, используют в паросиловых установках для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других деталей, температура эксплуатации которых не превышает

Перлитные стали с повышенным содержанием углерода по жаропрочности уступают перлитным сталям с содержанием углерода и поэтому для них установлены максимальные температуры длительной эксплуатации Из этих сталей изготовляют валы и цельнокованые роторы стационарных и транспортных паровых турбин, плоские пружины и крепежные детали. Перлитные стали широко применяют

благодаря невысокой стоимости, технологичности и удовлетворительной жаропрочности.

Мартенситные стопи. Эти стали предназначены для изделий, работающих при температурах 450-600 °С, и от перлитных сталей отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов. По своей жаропрочности они немного превосходят перлитные стали. Критерий жаропрочности мартенситных сталей предел ползучести с допустимой деформацией 0,1% за или 1% за

Различают две группы мартенситных сталей: с содержанием добавками и низким, в пределах содержанием углерода; сильхромы с содержанием добавками кремния в количестве до и повышенным содержанием углерода до 0,4%.

Стали первой группы используют в термически обработанном состоянии. Оптимальная термическая обработка заключается в закалке или нормализации после нагрева до (для растворения карбидов) и отпуске при 600-740 °С. Структура термически обработанной стали - смесь легированного феррита и мелких карбидов - обеспечивает необходимую жаропрочность, сопротивление коррозии и релаксационную стойкость. Благодаря высокому содержанию легирующих элементов стали глубоко прокаливаются даже при нормализации (до 120-200 мм) и поэтому более пригодны для деталей крупных сечений, чем перлитные стали. При высоком содержании хрома (10-12%) и других ферритообразующих элементов и низком содержании углерода стали становятся мартенситно-ферритными. Количество неупрочняемого при термической обработке феррита невелико, по жаропрочным свойствам мартенситные и мартенситно-ферритные стали близки. При длительной эксплуатации они могут применяться до температуры 600 °С. Мартенситные стали данной группы имеют разнообразное применение в паровых турбинах: из них изготовляют диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы, а также трубы и крепежные детали.

Сильхромы характеризуются повышенной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания. Оптимальные свойства сильхромы имеют после обработки на сорбит. Так, сталь закаливают после нагрева до 1030 °С и отпускают при 720-780 °С. Чем больше содержание хрома и кремния в стали, тем выше ее рабочая температура. Жаропрочность сильхромов позволяет применять их при температурах не выше 600-650 °С; при более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготовляют из аустенитных сталей. Сильхромы не содержат дорогих легирующих элементов и используются не только для клапанов двигателей, но и для крепежных деталей моторов. Технологические свойства сильхромов хуже, чем у перлитных сталей. Особенно затруднена сварка, требуются подогрев перед сваркой и последующая термическая обработка.

Аустенитные стали. Эти стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температурах выше 600 °С. Основные легирующие элементы - хром и никель. Соотношение между ними и железом выбирают так, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Иногда никель заменяют другими аустенитообразующими элементами — марганцем, азотом. Ферритообразующие элементы и др. вводят в стали для повышения жаропрочности; они образуют карбиды или промежуточные фазы. Аустенитные стали содержат, как правило, , лишь иногда его содержание повышено до 0,4%.

Аустенитные жаропрочные стали подразделяют на следующие группы:

а) однофазные стали, не упрочняемые термической обработкой;

б) стали с карбидным упрочнением;

в) стали с интерметаллидным упрочнением.

Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбонитридов титана или ниобия (для предупреждения межкристаллитной коррозии). Такая структура получается после закалки от Стали этой группы применяют как жаропрочные в теплоэнергетике (например, ).

Жаропрочность однофазных сталей увеличивают при помощи наклепа, пользуясь тем, что температура рекристаллизации аустенитных сталей высока Другой путь повышения жаропрочности - создание полигонизованной структуры. Сталь после небольшой пластической деформации (до 20%) нагревают для перераспределения дислокаций и образования малоугловых границ в зернах. Оба вида обработок применимы лишь для деталей наиболее простой формы, например, турбинных дисков.

Аустенитные стали с карбидным упрочнением обычно содержат несколько карбидообразующих элементов: , а также бор - для обеспечения наивысшей жаропрочности. Из-за высокого содержания ферритообразующих элементов содержание никеля повышают до Оптимальная структура получается после закалки от 1100-1150 °С и старения полученного аустенита при 700 — 800 °С для выделения карбидов.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением - самые жаропрочные. Для повышения жаропрочности аустенита стали легируют добавки служат для формирования выделений упрочняющей фазы типа Их упрочняют закалкой и старением. Например, сталь закаливают от 1100-1170 °С и старят при температурах 700-750 °С в течение

Аустенитные стали охрупчиваются при эксплуатации из-за выделения избыточных фаз по границам зерен и особенно после образования хрупкой а-фазы в интервале температур Чем больше хрома и молибдена содержит сталь, тем больше в ней появляется -фазы и тем сильнее охрупчивание. Для растворения образовавшейся а-фазы проводят дополнительную термическую обработку после некоторого срока службы детали и, тем самым, устраняют охрупчивание и восстанавливают первоначальные свойства.

Аустенитные стали отличаются большой пластичностью, хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее обрабатываются давлением и резанием.

Жаропрочные никелевые сплавы. Эти сплавы содержат, как правило, и такие элементы, как W, Mo, V, Со, Al, Ti, В и др.

упрочняют матричный твердый раствор на основе никеля; вместе с никелем образуют метастабильную у-фазу с такой же структурой, как и матричный раствор углерод в количестве до формирует дисперсные карбиды на границах зерен.

Термическая обработка сплавов заключается в закалке и старении. Детали нагревают до 1150-1250°С для получения однородного раствора и охлаждают на воздухе. За время охлаждения внутри твердого раствора происходит перераспределение атомов алюминия и титана, образуются малые объемы, обогащенные этими элементами. При старении в этих объемах возникают частицы у-фазы, когерентные с матричным твердым раствором. Периоды решеток и у-фаз отличаются незначительно, всего на поэтому полученная метастабильная структура сохраняется при высоких температурах в течение 20000-30000 ч.

Частицы у-фазы имеют размеры 20-40 нм, а ее содержание, в зависимости от легирования, доходит до 20-50%. Переход метастабильной у-фазы в стабильную фазу означает утрату когерентности, укрупнение частиц второй фазы и значительную потерю жаропрочности.

Никелевые жаропрочные сплавы широко применяют благодаря их высокой прочности, коррозионной стойкости и жаропрочности. Помимо основного назначения — изготовления лопаток и других ответственных деталей современных газотурбинных двигателей, эти сплавы применяют для изготовления штампов и матриц горячего деформирования металлов. Они используются при температурах от 750 °С, а температура 950 - 1000 °С является для них максимальной. В наиболее жаропрочных сплавах, содержащих около недостаток жаростойкости исправляется химико-термической обработкой деталей, в частности, алитированием и хромоалитированием. Жаропрочные никелевые сплавы с трудом подвергаются горячему деформированию и резанию. Как и аустенитные стали, эти сплавы имеют низкую теплопроводность и значительное тепловое расширение.

Тугоплавкие металлы и сплавы включают обычно металлы, у которых температура плавления превышает 1700 °С.

Наибольшее применение получили металлы подгруппы - ванадий, ниобий, тантал и металлы подгруппы — хром, молибден, вольфрам. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высокими температурами плавления, малым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повышенной жесткостью.

Однако при высоких температурах все важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость - большой недостаток тугоплавких металлов.

По совокупности технологических свойств тугоплавкие металлы и их сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей обработки затруднены большим сопротивлением пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание загрязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или вакууме и применяют для этих целей специальное, более сложное и дорогое, чем обычное, об оруд ование.

Тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с примесями внедрения: кислородом, азотом, углеродом, а металлы подгруппы - еще и с водородом, с которым они легко образуют гидриды.

Примеси внедрения охрупчивают тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой. В металлах технической чистоты допускается несколько сотых процента примесей. Этого достаточно, чтобы металлы подгруппы при 25 °С оказались хрупкими. Температурный порог хладноломкости у вольфрама находится около 300 °С, а у молибдена и хрома в пределах 90-250 °С в зависимости от марки металла.

Металлы подгруппы имеют более высокую растворимость примесей внедрения, поэтому при допустимом уровне примесей технически чистые металлы остаются пластичными и вязкими от 25 °С вплоть до -196°С. При увеличении содержания примесей охрупчиваются и эти металлы. Так, тантал после нагрева на воздухе при 400-600 °С становится хрупким. Когда содержание примесей внедрения превышает пределы их растворимости, рекристаллизация увеличивает хрупкость металла. Избыток примесей внедрения сверх предела растворимости при рекристаллизации выделяется в виде хрупких прослоек второй фазы по границам зерен. Этот недостаток проявляется у молибдена и вольфрама, имеющих низкую растворимость примесей внедрения, при горячей

обработке давлением выше температуры рекристаллизации и при сварке.

Механические свойства тугоплавких металлов зависят от способа производства и содержания примесей. Повышение пластичности вольфрама, молибдена и хрома является актуальной задачей. Добавки титана и циркония, а также редкоземельных металлов используются как основная мера повышения пластичности тугоплавких сплавов. Эти добавки активно соединяются с примесями внедрения и выводят их из твердого раствора. Образовавшиеся частицы соединений вредного влияния на пластичность не оказывают. Легирование молибдена или вольфрама рением резко понижает температуру хрупкости, сплавы вольфрама с рением пластичны при температуре 25 °С. Однако рений — очень дефицитный металл.

Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние благодаря изменению тонкой структуры и характера взаимодействия примесей с кристаллической решеткой в наклепанном металле. По сравнению с хрупкими отожженными металлами - молибденом и вольфрамом - высокопрочные наклепанные проволоки и ленты из этих металлов не хрупки и при 25 °С сохраняют пластичность, достаточную для их успешной навивки и гибки при изготовлении изделий.

ТАБЛИЦА 14.9. (см. скан) Механические свойства тугоплавких металлов

В табл. 14.9 приведены свойства отожженных тугоплавких металлов. Разброс значений вызван изменением содержания примесей и различием в размерах зерен.

Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы: сплавы со структурой твердого раствора и сплавы, упрочняемые закалкой и старением.

Сплавы первой группы термической обработкой не упрочняются, содержание легирующих элементов (титан, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, тантал, рений) в них выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.

Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен. Сплавы на основе ванадия и хрома - наименее жаропрочны. Тем не менее при температурах 800-1000 °С сплавы ванадия превосходят железные и никелевые сплавы, а сплавы на основе хрома благодаря жаростойкости применимы до температур 1000-1100 °С.

Сплавы на основе ниобия работоспособны до 1300°С, а при кратковременной работе выдерживают температуры

ТАБЛИЦА 14.10. (см. скан) Механические свойства тугоплавких сплавов

до Их достоинство - небольшая плотность.

Сплавы на основе молибдена работоспособны до 1300-1400 °С, на основе тантала - до 2000 °С, а на основе вольфрама - до 2000-2200 °С (табл. 14.10). При температурах до 1900-2000 °С многие сплавы на основе тугоплавких металлов более жаропрочны, чем вольфрам. Выше температуры 2000-2500 °С нелегированный вольфрам является самым жаропрочным металлом.

Неметаллические жаропрочные материалы. Графит и специальная керамика - наиболее важные неметаллические материалы, пригодные для службы при температурах выше 1000 °С. В этих материалах преобладает ковалентный тип связи, и поэтому лишь при температурах выше быстро теряются жаропрочные свойства.

Графит - один из перспективных материалов высокой жаропрочности. Уникальной особенностью графита является увеличение модуля упругости и прочности при нагреве. До температуры 2200-2400 °С прочность графита повышается максимально на 60%, и лишь при более высоких температурах он теряет прочность. Графит, не плавясь, возгоняется при температуре При нагреве графит мало расширяется, хорошо проводит теплоту и поэтому устойчив против тепловых ударов. Ползучесть у графита проявляется при температуре выше 1700° С и характеризуется небольшой скоростью при температурах 2300-2900 °С под действием напряжений Серьезным недостатком графита является легкость окисления, уже при температурах 520-560 °С потеря массы составляет 1%

за 24 ч, поэтому поверхность графитовых изделий защищают покрытиями.

Керамические материалы на основе и системы являются легкими, прочными и износостойкими веществами. В качестве конструкционных жаропрочных материалов они начинают применяться в двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней, головок блока цилиндров и других теплонапряженных деталей. Керамические детали способны работать при высоких температурах до 1800 °С), стойки против коррозии и эрозии, не боятся перегрева и не нуждаются в принудительном охлаждении. В отличие от графита керамика меньше подвержена окислению и в несколько раз прочнее. Керамика изготовляется из недефицитных материалов. К недостаткам высокотемпературной керамики относятся хрупкость, сложность получения плотного беспористого материала и трудности изготовления деталей. В отличие от керамики графит легче прессуется в горячем состоянии и хорошо обрабатывается резанием.