8. Никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы

В современных турбинах и реактивных двигателях важнейшей деталью является лопатка турбины. Мощность реактивного двигателя в большой степени зависит от максимальной температуры рабочего

тела (газа), при которой длительное время могут работать лопатки. В современных реактивных двигателях лопатки турбин разогреваются до 700-900 °С, и имеется тенденция повышения этой температуры.

Для лопаток турбин применяют аустенитные стали и сплавы на основе никеля и кобальта.

Преимущественное применение имеют сплавы никеля, содержащие, как правило, хром (в количестве около и другие довольно многочисленные присадки, правда, уже в значительно меньших количествах (алюминий, титан, вольфрам, молибден, ванадий и др.).

Как и аустенитные стали, сплавы на основе никеля могут быть разделены на гомогенные (так называемые нихромы и инконели) и стареющие (так называемые нимоники).

Первые, т. е. нихромы, представляют собой сплавы никеля и. хрома или никеля, хрома и железа с минимальным содержанием углерода и других элементов, которые могли бы образовывать вторые фазы. Структура этих сплавов представляет собой твердый раствор этих элементов в никеле (решетка г. ц. к.). Гомогенный твердый раствор не обладает высокой прочностью и жаростойкостью. Сплавы этого типа, как правило, не используют для нагруженных деталей, т. е. не применяют как жаропрочный материал, а используют как материал высокой жаростойкости, а также как материал для электрических нагревательных элементов сопротивления, о чем будет сказано в в гл. XXIV, где приведены составы нихромов и некоторые их свойства.

Широко распространены высокожаропрочные (стареющие никелевые) сплавы — нимоники. Появление их было вызвано развитием реактивной авиации, требовавшей жаропрочные сплавы для лопаток. Известные до того времени жаропрочные сплавы, в основном аустенитные стали, не удовлетворяли новым возросшим требованиям в отношении жаропрочности.

Нимоник основного, «классического» состава представляет собой четверной сплав (приблизительно остальное никель). Закалка с приводит к образованию твердого -раствора с гранецентрированной кубической решеткой .

Нагрев такого закаленного (пересыщенного) твердого раствора приводит к его распаду, происходящему в несколько стадий.

Прежде всего внутри твердого раствора происходит перераспределение атомов алюминия и титана, приводящее к локальным обогащениям этими примесями. Этот процесс наблюдается не только при низких температурах отпуска, но даже в процессе закалочного охлаждения.

Следующая стадия заключается в появлении в местах, где повысилась концентрация атомов алюминия и титана, как бы второй фазы. На какой-то стадии старения можно уже рентгенографически определить наличие двух фаз с одинаковой кристаллической решеткой г. ц. к., но несколько отличающихся друг от друга параметрами

(0,358 и 0,360 нм). Принято называть фазу, обедненную алюминием и титаном, Фазой, а обогащенную (выделившуюся) — -фазой.

Если первый процесс, т. е. перераспределение алюминия и титана внутри решетки твердого раствора наблюдается в процессе закалочного охлаждения и в процессе отпуска при 500-600 °С, то при наблюдается появление -фазы, размер частиц и состав которой зависит от температуры и продолжительности отпуска (старения) (см. рис. 337).

Рис. 337. Коагуляция частиц в сплаве нимоник после закалки и старения при (X 16 000; в течение различного времени: а - 10 ч; б - 100 ч; в - 1000 ч

Так, при старении в течение нескольких часов при -фаза составляет около объема сплава (и более), размер частиц у-фазы — порядка 20—40 нм. Близость решеток и -фаз приводит к тому, что они до высоких температур отпуска сохраняют когерентную связь. При еще более высокой температуре старения возможно превращение у-фазы в стабильную при данных температурах -фазу

Высокая жаропрочность сплавов нимоник обеспечивается их высокой прочностью и малой скоростью разупрочнения. В данном случае у состаренного нимоника высокая прочность связана с образованием большого количества до 40 %, а в некоторых современных высокожаропрочных сплавах и более второй фазы, когерентно связанной

с маточным твердым раствором. Эта когерентная связь в свою очередь вызвала дробление блоков у-твердого раствора до размера в 150— 200 нм. Малая же скорость разупрочнения связана с малой диффузионной подвижностью атомов алюминия и титана при высоких температурах вследствие высоких значений сил межатомных связей в решетках и у-фаз.

При температурах 700-800 °С скорость роста частиц второй фазы мала, но при 850-900 °С уже значительна (рис. 337), что и определяет температурный и временной пределы применения этих сплавов.

Термическая обработка сплава нимоник, приводящая его в структурное состояние с максимальной жаропрочностью, заключается в воздушной закалке с и отпуске (старении) при в течение

Рис. 338. Жаропрочные свойства сплава нимоник (типа )

Рис. 339. Длительная прочность при сплавов: 1 —

Максимальная жаропрочность соответствует однородной крупнозернистой структуре и однородным, равномерно распределенным дисперсным образованием у-фазы (рис. 337, а).

Разнозеренность (т. е. наличие крупных и мелких зерен), преимущественное выделение фаз по границам зерен, сохранение наклепа (например, наклепанного слоя, полученного при обработке резанием) приводит к снижению жаропрочности.

Жаропрочные свойства сплава типа деформации за разное время) показаны на рис. 338.

Составы наиболее распространенных марок никелевых дисперсионно твердеющих сплавов приведены в табл. 70.

Основные жаропрочные свойства некоторых никелевых жаропрочных сплавов приведены также в табл. 71 и рис. 339.

Первый, «старый» сплав обладает наиболее низкой жаропрочностью в данной серии сплавов (табл. 71). Улучшение этого сплава в первую очередь достигается добавлением в малых количествах бора и церия (сплав см. также рис. 339) что приводит к «очищению» границ зерен. Главная функция этих добавок — связать вредные примеси в тугоплавкие соединения.

Дальнейшее повышение жаропрочности достигается введением элементов, упрочняющих твердый раствор, — кобальта, молибдена, вольфрама (сплавы нимоник 90 и 100).

Приведенные в табл. 70 сплавы являются основными для «горячих» деталей газовых турбин (лопатки, диски и т. д.).

(кликните для просмотра скана)

Наряду с никелевыми дисперсионно твердеющими сплавами, некоторое применение имеют железоникелевые и кобальтовые сплавы.

Составы некоторых из этих сплавов приведены в табл. 72.

По жаропрочным свойствам железоникелевые сплавы и кобальтовые примерно равноценны сплавам на основе никеля (нимоникам). Однако железоникелевые сплавы малопластичны, склонны к образованию трещин и других дефектов; сплавы же на основе кобальта очень дорогие, а превосходство их по сравнению с лучшими сортами никелевых сплавов в отношении жаропрочных свойств не так уж велико.

Практически «потолок» для применения никелевых сплавов — 950-1000 °С, для работы при более высоких температурах следует применять сплавы на другой основе. Данные о развитии жаропрочных сплавов и повышении в связи с этим рабочих температур основных деталей турбореактивных двигателей приведены в табл. 73 (составлена по данным Г. В. Эстулина и С. Б. Маслен нова).

Таблица 73. (см. скан) Развитие жаропрочных сплавов

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(см. скан)

(см. скан)