История развития производства жаропрочных сплавов

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

История развития производства жаропрочных сплавов

28.01.2020

Для понимания причин, которые привели к созданию современных технологий получения жаропрочных сплавов, основанных на порошковой металлургии, следует привести краткий исторический обзор развития производства жаропрочных сплавов, в частности сплавов, получаемых методом порошковой металлургии.

Хотя хромоникелевые сплавы были известны с начала этого столетия [сплав нихром, содержащий 80% (по массе) Ni и 20% (по массе) Cr], целенаправленная разработка таких сплавов была начата в 30-е годы и примерно к 1940 г. привела к появлению первых нашедших практическое применение жаростойких сплавов. Главной движущей силой этих исследований была потребность в улучшенных высокотемпературных сплавах для первой авиационной газовой турбины-двигателя «British Whittle». Первыми сплавами, использованными для изготовления лопаток турбины, были аустенитные нержавеющие стали, непригодность которых для этих целей вскоре стала очевидной. Первый жаропрочный сплав на основе никеля, Nimonic 75, был получен из нихрома добавлением 0,3% Ti и 0,19% С.

В последующем разработка новых сплавов происходила быстрыми темпами (рис. 1.1) за счет введения все более значительных количеств легирующих элементов, что позволило со временем реализовать все известные механизмы упрочнения. В Великобритании один за другим создавались сплавы типа Nimonic (N*). Увеличение содержания Ti привело к разработке

сплава Nimonic 80, а введение Al позволило получить первый сплав, упрочняемый выделениями у'-фазы, Nimonic 80А. Для дальнейшего повышения рабочих температур были введены Co (Nimonic 90) и Mo (Nimonic 100).

Первым жаропрочным сплавом на основе никеля, разработанным в США, был Inconelx, созданный на основе сплава Inconel (15 Cr — 7 Fe — 78 Ni). Эта модификация сплава Inconel была получена путем введения Al, Ti, Nb и С. Последующие исследования сплавов этой системы привели к созданию сплава Waspaloy.

Общей тенденцией в развитии жаропрочных сплавов было стремление к непрерывному увеличению объемного содержания у'-фазы. Первоначально применявшаяся технология открытой плавки через некоторое время стала препятствовать дальнейшему совершенствованию сплавов. Поэтому введение в начале 50-х годов вакуумной индукционной плавки явилось большим шагом вперед. Это ясно видно из сравнения величин времени до разрушения для сплавов, выплавленных на воздухе (1) и в вакууме (2) (рис. 1.2). Оптимальное содержание легирующих элементов, за пределами которого свойства сплава снижаются, в случае вакуумной плавки существенно выше. Waspaloy был одним из первых сплавов, при производстве которого была применена вакуумная плавка, что привело к значительному повышению прочности.
История развития производства жаропрочных сплавов

Одним из путей дальнейшего увеличения объемного содержания у'-фазы стало исключение ковки из технологии переработки высоколегированных сплавов и получение деталей литьем в вакууме. При этом за счет снижения содержания Cr удалось ввести дополнительные количества упрочняющих элементов и еще более повысить рабочие температуры. Приемы термообработки для литых сплавов проще, чем для деформируемых, поскольку в этом случае не требуется обработка на твердый раствор. Литые сплавы наследственно гетерогенны. Хотя их высокотемпературные прочностные свойства существенно выше, вязкость разрушения и усталостная прочность понижены вследствие развитой ликвации.

Исследования, направленные на увеличение объемного содержания у'-фазы с целью повышения прочности, продолжались до 1965 г. и завершились созданием таких сплавов, как IN100 (сплавы первого поколения).

Главной движущей силой развития производства жаропрочных сплавов до середины 60-х годов были требования, предъявляемые условиями службы лопаток турбин авиационных двигателей, где определяющими свойствами являются высокотемпературная прочность при относительно небольшом времени до разрушения в условиях ползучести и стойкость к окислению.

Кроме того, разработчикам промышленных газовых турбин необходимы материалы с более длительным временем до разрушения и повышенной стойкостью к высокотемпературной коррозии. Тем, не менее, и для этих целей вначале использовали сплавы, аналогичные применяемым в производстве авиационных двигателей.

Потребность в материалах с повышенным сопротивлением газовой коррозии для длительной службы в конструкциях наземных турбин привела (приблизительно с 1965 г.) к созданию сплавов второго поколения, равных по прочности ранее разработанным сплавам первого поколения, но с более высокой коррозионной стойкостью, достигаемой за счет увеличенного содержания хрома. Примерами таких сплавов могут служить IN 738 и IN 739.

Основой создания сплавов второго поколения является стабилизация карбида MC некоторыми тугоплавкими элементами (например W и Ta), которая, затрудняя формирование карбида Сr23С6 в процессе службы сплава, удерживает тем самым Cr в матрице, что и обеспечивает защиту сплава от высокотемпературной коррозии.

Наряду с совершенствованием состава сплавов с конца 60-х годов наблюдается быстрый прогресс в технологии. Этот период отмечен такими достижениями, как направленная кристаллизация и выращивание монокристаллов, которые позволили повысить характеристики сопротивления термической усталости и ползучести. Большие надежды породили быстрые успехи в разработке новых сплавов, получаемых направленной кристаллизацией эвтектик, хотя возможности их промышленного применения еще не вполне ясны.

Ограничения, связанные с ликвацией при литье крупных слитков, и стремление к дальнейшему повышению рабочих температур сплавов делают все более привлекательной технологию порошковой металлургии.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: