Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Структура и химический состав жаропрочных сплавов

28.01.2020

В ходе развития производства жаропрочных сплавов, начале которому было положено более 40 лет назад, их химический состав становился все более и более сложным. Это развитие стимулировалось потребностью в повышении термического к. п. д. авиационных газовых турбин за счет непрерывного увеличения температуры газа на входе в турбину, а тем самым и рабочих температур металла. Результатом исследований в этом направлении явилась разработка сплавов такого химического состава и таких технологических процессов, которые позволили реализовать все известные на сегодняшний день механизмы упрочнения Жаропрочные сплавы, т. е высокопрочные высокотемпературные сплавы на основе элементов VIII а группы, в общем случае могут быть подразделены на три типа в зависимости от основного эле мента, образующего матричную фазу сплава: 1) сплавы на основе никеля, 2) железоникелевые сплавы и сплавы на основе желе за, 3) сплавы на основе кобальта

Структура жаропрочных сплавов на основе никеля


Современные жаропрочные сплавы на основе никеля по своему химическому составу являются наиболее сложными из всех существующих сплавов Их разработка, как правило, осуществлялась одновременно и в непосредственной связи с развитием новых металловедческих принципов. В последнее время для предсказания появления различных фаз в этих сплавах и предотвращения формирования таких нежелательных фаз, как a-фаза, стали применять теоретические модели типа «Рhасоmр».

Легирующие элементы в никелевых сплавах в зависимости от их вклада в упрочнение и коррозионную стойкость, можно разделить на несколько групп (табл. 1.1).
Структура и химический состав жаропрочных сплавов

Элементы, входящие в состав матрицы. Принципиально важными особенностями никелевых сплавов являются высокая растворимость легирующих элементов в никелевой матрице и сохранение г. ц. к.-решетки до Т=0,8 Tm в течение длительного (до 10в5 ч) времени. К числу элементов, вносящих вклад в твердорастворное упрочнение матричной у'-фазы, относятся Co, Fe, Cr, Mo, W, V, Ti и Al. Алюминий, основное назначение которого состоит в образовании упрочняющих фаз, помимо этого играет также довольно заметную роль в упрочнении твердого раствора. Большой вклад вносят W, Mo и Cr, тогда как Fe, Ti, Co и V являются слабыми упрочнителями.

Тогда как эффективность дисперсного упрочнения с ростом T сначала возрастает, а затем снижается, эффективность упрочнения твердого раствора от T почти не зависит. Поэтому его относительный вклад в прочность сплава с повышением T увеличивается. Хром не относится к числу эффективных упрочнителей твердого раствора, но при большом содержании все же может оказывать заметное влияние на его прочность.

Основная цель введения Cr состоит в повышении коррозионной стойкости сплава.

Элементы, входящие в состав у'-фазы. Как уже говорилось, Al и Ti способны заметно упрочнять твердый раствор, однако их основное назначение заключается в том, чтобы, взаимодействуя с Ni (при участии Nb и Ta), образовывать выделения у'-фазы, обеспечивая тем самым дисперсное упрочнение жаропрочных сплавов.

Упрочняющая у'-фаза имеет г. ц. к.-структуру, постоянная решетки которой лишь незначительно отличается от постоянной решетки матричной фазы (0—1,5%, у большей части сплавов — намного меньше, чем 1,5%). Когерентность между двумя фазами обеспечивается за счет тетрагональных искажений. Следствием когерентности являются легкость гомогенного зарождения выделений и, благодаря малой величине межфазной энергии, длительная стабильность при повышенных температурах.

При очень высоких температурах часть выделений растворяется и эффект упрочнения постепенно уменьшается.

Карбидообразующие элементы. Карбиды в жаропрочных сплавах на никелевой основе образуются преимущественно по границам зерен. К числу карбидообразующих элементов относятся Cr, Mo, W, V, Nb, Ta и Hf. Роль карбидов в жаропрочных сплавах значительно более сложна и менее изучена с теоретической точки зрения, чем роль у'-фазы. Имеют место два конкурирующих между собой механизма воздействия карбидов на высокотемпературные механические свойства сплава: карбиды, распределенные вдоль границ зерен, оказывают положительное влияние на прочность, затрудняя зернограничное проскальзывание, но в то же время карбиды определенной морфологии отрицательно влияют на вязкость разрушения.

При образовании карбидов наблюдается также эффект, связанный с удалением карбидообразующих элементов из прилегающих к межзеренной границе областей матрицы. При разработке сплава следует использовать карбиды для улучшения механических свойств при повышенных температурах и одновременно уменьшать их отрицательное влияние на вязкость разрушения за счет благоприятной морфологии выделений.

Существуют четыре основных типа карбидов. Карбид MC, который выпадает при затвердевании сплава, образует грубые выделения как по границам, так и внутри зерен матрицы. Термически наиболее устойчивым соединением является HfC, затем карбиды титана, тантала, ниобия и ванадия. Однако реально наблюдаемая последовательность может отличаться от теоретической. Особенно положительное влияние оказывает введение <1,5% Hf.

В таких литейных сплавах, как IN 713 LC, сетка МС-карбида в форме китайских иероглифов под влиянием Hf распадается на отдельные сфероидизованные выделения, Hf также входит в состав у'-фазы, которая при этом приобретает дендритообразную форму вместо обычных выделений кубической формы. В результате этого границы зерен из гладких становятся зигзагообразными. Низкотемпературная пластичность улучшается вследствие изменения морфологии карбидов, а пилообразная форма границ улучшает сопротивление ползучести при повышенной температуре. Гафний добавляют также для облегчения протекания направленной кристаллизации в жаропрочных сплавах.

При более низких температурах карбиды типа MC могут превращаться в более стабильные карбиды М23С6. Карбиды M23C6 оказывают существенное влияние на механические свойства жаропрочных сплавов. Они образуют дискретные крупные выделения по границам зерен и в этой форме играют по преимуществу положительную роль, предотвращая зернограничное проскальзывание, но могут очень отрицательно влиять на пластичность сплава, выделяясь вдоль границ в виде непрерывной хрупкой пленки. Следует, однако, иметь в виду, что и при распределении этих карбидов по границам в виде отдельных частиц пластичность снижается в результате нарушения целостности границы матрица — карбид (декогезии) или разрушения самой частицы.

Карбид Сr7С3 образуется в виде крупных выделений по границам зерен в жаропрочных сплавах с малым содержанием Cr. В более сложных сплавах эти карбиды нестабильны и переходят в М23С6.

Карбиды М6С оказывают влияние на механические свойства, подобное влиянию карбидов М23С6, однако они устойчивы при более высоких температурах.

Образование карбидов того или иного типа в жаропрочных сплавах определяется составом сплава, температурой и временем. Карбиды MC, формирующиеся в процессе затвердевания, могут превращаться в низшие карбиды в соответствии со следующими реакциями в твердой фазе:

Эти реакции используют при термообработке для формирования дискретных выделений по границам зерен. Выделения у'-фазы, также являющейся продуктом реакций, образуют оболочку вокруг карбидов, увеличивая тем самым вязкость зернограничного слоя

Поверхностно-aктивные элементы. Малые добавки Zr и В существенно улучшают характеристики ползучести и вязкости разрушения. Хотя природа этого эффекта не вполне ясна, принято считать, что эти элементы вследствие большого отличия размеров их атомов от размеров атомов матрицы сегрегируют на границах зерен, заполняя вакансии и снижая зернограничную диффузию

Структура железоникелевых жаропрочных сплавов


Дисперсионнотвердеющие сплавы, содержащие значительные количества никеля и железа, образуют отдельную группу жаропрочных сплавов В нее входят сплавы с аустенитной матрицей содержащей 25 60% Ni и 15 60% Te, упрочняемые выделениями у' [N13 (Al, T1)] и/или у" (N13Nb) фаз.

В отличие от сплавов на никелевой основе, в железоникелевых сплавах алюминий как у'-образующий элемент играет ограниченную роль. Уникальной особенностью железоникелевых сплавов является присутствие выделений у"-фазы. Эта фаза характеризуется замедленной кинетикой выделения, что уменьшает склонность сплавов к образованию трещин при охлаждении после сварки.

Элементами, упрочняющими твердый раствор в этой группе сплавов, являются Cr, Mo, W, Ti, Al и Nb.

Образующиеся в сплавах карбиды относятся к тем же типам, что и карбиды в сплавах на никелевой основе. Карбиды типа MC могут выделяться как в виде грубых частиц неправильной формы, так и в виде глобул. Последняя форма выделений способствует повышению вязкости разрушения. Карбиды М23С6 образуются после соответствующей термообработки в виде глобул или ограненных выделений.

Структура жаропрочных сплавов на основе кобальта. Кобальтовые сплавы сыграли большую роль на ранней стадии развития жаропрочных сплавов, однако в дальнейшем не смогли достичь уровня высокотемпературной прочности, характерного для никелевых жаропрочных сплавов сложного состава. Кобальтовые сплавы обладают преимуществом перед сплавами на основе никеля — выше сопротивление высокотемпературной коррозии, они также характеризуются хорошей стабильностью структуры при повышенных температурах, но прочность их невысока. Поэтому их используют для изготовления неподвижных деталей.

Более низкий уровень механических свойств может быть объяснен меньшей устойчивостью кобальтовой матрицы по сравнению с никелевой. Все попытки разработать сплав, который содержал бы выделения у'-фазы, сохраняющей стабильность при высоких температурах, были безуспешны. Когерентные выделения фазы y'-Co3Ti, получаемые при введении Ti в кобальтовые сплавы, проявляют низкую термическую стабильность, что связано с фазовым превращением матрицы.

Легирующими элементами в кобальтовых сплавах являются Ni, Cr, W, Ti, Zr, Nb, Ta и С. Основное назначение Ni состоит в стабилизации г. ц. к.-структуры матрицы. Элементом, наиболее сильно упрочняющим твердый раствор, является W. Основной вклад в упрочнение кобальтовых сплавов вносят карбиды. По этой причине содержание углерода весьма велико (0,25—1,0% по сравнению с 0,05—0,20% в жаропрочных сплавах на основе никеля). Наиболее распространенный тип карбида в кобальтовых сплавах — карбид М23С6, в образовании карбидной фазы участвуют все указанные элементы за исключением никеля.

Развитие жаропрочных сплавов на основе кобальта резко замедлилось в связи с ростом цен на кобальт, который вы звал тенденцию к замене кобальта другими элементами даже в жаропрочных сплавах на основе никеля.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: