Жаропрочность и жаропрочные никелевые сплавы

Жаропрочность

Для оценки жаропрочности металлов и сплавов проводятся механические испытания на длительную прочность и ползучесть, благодаря которым определяются:

• время до разрушения при заданных рабочей атмосфере, напряжении и температуре;
• предел длительной прочности - самое большое механическое напряжение, которое способен выдерживать испытуемый материал при заданных продолжительности испытания, рабочей атмосфере и температуре;
• предел ползучести, которая представляет собой напряжение, вызванное заданной скоростью деформации за заданное время и при данной температуре.

К основным факторам, которые определяют жаропрочность металлов и сплавов относятся структура, процессы диффузии, температура плавления, прочность межатомных связей. В процессе эксплуатации сплава или металла при высоких температурах диффузионные процессы ускоряются, изменяются механические свойства и исходная структура материала. При увеличении температуры возрастает количество вакансий и увеличивается подвижность точечных эффектов. Процесс диффузии способствует перемещению дислокаций посредством их переползания, а результатом этого является реализация диффузионного механизма пластической деформации или ползучести. С увеличением времени эксплуатации снижается прочность, которая была получена при начальной термической обработке металла или сплава, происходит потеря упрочнения, причиной которой является пластическая деформация из-за рекристаллизации и возврата.

Чтобы увеличить жаропрочность необходимо ограничивать подвижность дислокаций и замедлять диффузионные процессы. Это возможно за счет увеличения прочности межатомных связей и создания препятствий для перемещения дисклокаций внутри зерен и на их границах.

Жаропрочные никелевые сплавы

Жаропрочные никелевые сплавы в основном используются при изготовлении лопаток турбин реактивных двигателей, работающих при температурах от 700 до 900 градусов по Цельсию и длительных сроках эксплуатации - от 1000 до 2500 часов. Жаропрочные никелевые сплавы можно разделить на две группы:

1. Гомогенные, к которым относятся инконель и нихромы, используемые как жаростойкие материалы.
2. Стареющие, к которым относятся нимоники, обладающие высокой жаропрочностью.

Жаропрочные никелевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые. Свойства деформируемых сплавов формируются в процессе термической обработки, которая характерна для дисперсионно-твердеющих материалов. Особенность термической обработки данных сплавов заключается в необходимости очень точной регулировки температуры и контроле однородности температурного слоя. Нимоники основного состава представляют собой сплав никеля - около 83 %, хрома - около 20 %, алюминия - около 1 % и титана около 2 %. Чтобы получить сплав с высокой окалиностойкостью, никель легируется хромом, а для увеличения жаростойкости алюминием и титаном. В данном случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная gc-фаза типа Ni3(Ti,Al), которая когерентно связана с основным g-твердым раствором, а также карбиды, нитриды и бориды, которые увеличивают прочность при высоких температурах.

Основная упрочняющая фаза в жаропрочных никелевых сплавах - gc-фаа Ni3(Ti,Al 1). Благодаря совместимости периодов решетки матрицы и gc-фазы обеспечивается зарождение выделений с низкой поверхностной энергией, которые в течении продолжительного времени могут быть стабильными. Карбиды, бориды и нитриды в данных сплавах способствуют незначительному упрочнению при низких температурах благодаря небольшой объемной доли.

Дальнейшее увеличение жаропрочности никелевых сплавов достигается за счет легирования вольфрамом и молибденом, которые повышают температуру рекристаллизации и способствуют затруднению процесса диффузии в твердом растворе, необходимого для рекристаллизации и коагуляции избыточных фаз. Если к сложнолегированному сплаву добавить кобальт, то увеличится его технологическая пластичность и жаропрочность. Чтобы повысить прочность границ g-твердого раствора сплав легируется цирконием и бором. Данные элементы устраняют вредное воздействие примесей посредством связывания их в тугоплавкие соединения. Примеси таких элементов, как сера, сурьма, свинец и олово снимают жаропрочность никелевых сплавов, что существенно усложняет процесс их термической обработки. Поэтому для повышения жаропрочности целесообразно, при выплавке жаропрочных сплавов, использовать чистые шихтовые материалы, которые свободны от вредных легкоплавких примесей.