Никелевые жаропрочные сплавы

Никель — 25-й элемент 4-го периода VTTT группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Никель относится к переходным металлам. Он имеет ГЦК-решетку, которая устойчива во всем интервале температур. Плотность никеля составляет 8,89 т/м3, что позволяет отнести его к тяжелым цветным металлам. Никель отличается высокой коррозионной стойкостью. Коэффициент самодиффузии никеля при повышенных температурах ниже, чем у железа и кобальта. Все эти свойства, а также отсутствие полиморфизма и высокая растворимость в никеле почти всех легирующих элементов делают никель уникальным элементом, на основе которого создают сплавы с высокой жаропрочностью.

Никелевые сплавы являются многокомпонентными, они содержат такие легирующие элементы, как Al, Ti, Nb, Mo, W, V, В.

Алюминий является основным элементом, формирующим упрочняющую интерметаллидную у'-фазу на основе соединения Ni3Al с ГЦК-решеткой. Для увеличения количества у'-фазы сплавы легируют титаном, ниобием, танталом. В деформируемых жаропрочных сплавах количество у'-фазы достигает 45 %. Увеличение объемной доли у'-фазы значительно повышает жаропрочность сплавов (рис. 17.7).

Углерод в сплавах присутствует в количестве 0,1...0,2 % и образует карбиды.

Кобальт, добавляемый в количестве до 15 %, повышает пластичность и вязкость, улучшает горячую обработку давлением. Вольфрам, молибден, ниобий, тантал, хром как тугоплавкие элементы повышают жаропрочность. Бор обычно вводят в количестве не более 0,015 % для образования боридов, упрочняющих границы зерен. Церий, лантан, иттрий являются рафинирующими добавками, эффективно очищающими границы зерен. Свинец, сурьма, висмут, олово, мышьяк, кислород, сера, азот являются вредными примесями в никелевых сплавах.

Никелевые сплавы — это основной жаропрочный материал, применяемый в двигателестроении: в современных авиационных двигателях на них приходится 70 % массы двигателя. Жаропрочные никелевые сплавы используют также для деталей турбин промышленных установок, двигателей наземного транспорта.

В основном из никелевых деформируемых жаропрочных сплавов выпускают диски и рабочие лопатки стационарных газотурбинных установок (ГТУ) и диски газотурбинных двигателей (ГТД). Материал для изготовления деталей получают после горячей деформации в виде сортового проката (прутки круглого сечения) или поковок различной конфигурации.

Турбинные диски ГТД работают при температурах 650...950 °С. Они имеют сложную форму с многочисленными концентраторами напряжений, поэтому материал дисков должен отличаться высоким уровнем трещиностойкости. Длительные рабочие нагрузки вызывают в сплавах протекание различных структурных процессов: ползучести, усталости, газовой коррозии. В связи с этим материалы для дисков должны обладать высокой жаропрочностью, усталостной прочностью, жаростойкостью.

Такие свойства обеспечивают легированием, термообработкой, а также высоким металлургическим качеством сплавов. Для повышения их чистоты по примесям и включениям применяют различные методы рафинирования слитков — электрошлаковый и вакуумно-индукционный переплавы.

Особенность маркировки никелевых деформируемых сплавов состоит в том, что сначала обозначают хром и никель (ХН), затем численно указывают процентное содержание только никеля, далее — остальные легирующие элементы, для чего используют только буквы. Некоторые из марок никелевых жаропрочных деформируемых сплавов с указанием легирующих элементов приведены в табл. 17.6.

Высокая прочность и пластичность деформируемых никелевых сплавов сохраняется вплоть до температур 800...900 °C. Высоколегированные сплавы, например ХН65ВМТЮ, применяют для изготовления таких деталей, как лопатки стационарных газовых турбин, высокотемпературного крепежа, для которых характерен длительный срок службы. Никелевые сплавы удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, имеют плохую свариваемость, так как склонны к образованию трещин в зоне термического влияния (ЗТВ). Повышения стойкости сплавов к растрескиванию при сварке достигают путем уменьшения вредных примесей, легированием элементами, которые способствуют снижению температуры плавления, и формированию мелкозернистой рекристаллизованной структуры.