Газонасыщение сплавов хрома при высокотемпературной эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Газонасыщение сплавов хрома при высокотемпературной эксплуатации

Максимальные рабочие температуры традиционных жаропрочных никелевых сплавов для лопаток газотурбинных двигателей не превышают 1000-1100^є С [1]. При дальнейшем повышении рабочих температур до 1100-1200°С наряду с никелевыми сплавами могли бы использоваться жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе хрома [2,3], преимуществами которых являются: более низкая стоимость, малая плотность, высокая жаропрочность, радиационная стойкость. Длительное время применению хрома в качестве конструкционного материала препятствовала его высокая склонность к хрупкому разрушению. Проведенные различными группами исследования позволили во многом выявить основные механизмы хрупкости и разработать эффективные металлургические приемы и параметры легирования, позволяющие получать пластичные конструкционные сплавы хрома.

Практическое решение данной проблемы позволило перейти к использованию его высокой жаропрочности, что в сочетании с малой плотностью может повысить эффективность работы, например, газотурбинных двигателей.

Однако высокотемпературному использованию пластичных сплавов хрома в немалой степени препятствует их относительно невысокая жаростойкость, что приводит к интенсивному газонасыщению сплавов хрома и резкому повышению температуры перехода в хрупкое состояние.

Согласно ряду исследований низкотемпературная пластичность хрома в главной мере определяется содержанием в нем азота [4], причем массовое его количество, составляющее более 3·10^-3%, приводит к резкому охрупчиванию нелегированного хрома и повышению температуры хрупкого перехода на сотни градусов. В связи с этим проблемы обеспечения жаростойкости сплавов хрома прежде всего связаны с исключением повышения в них предельной концентрации азота, как на стадии изготовления, так и при эксплуатации. Учитывая, что растворимость азота в хроме возрастает с ростом температуры и давления азота:

lgC = Ѕ lg P(N₂) + 0,1 - 1410/T, (1)

сплав азот хром газонасыщение

где P(N₂) - давление азота, T - температура;

а также, что зависимости упругости диссоциации нитридов хрома имеют вид:

lgP(N₂) = -11680/T +5,79 для Cr - Cr₂N, (2)

lgP(N₂) = -10620/T +8,03 для Cr - CrN. (3)

можно сделать вывод о возможности удаления азота из хрома при температурах 1000-1200°С в вакууме не ниже 10^-5…10^-6 торр. Естественно, что выдержка хрома в практически любой реальной эксплуатационной среде приводит к глубокому газонасыщению и, как следствие, к понижению эксплуатационных свойств. Последние выражения также указывают на необходимость проведения всех технологических операций переработки хрома в контролируемых средах (вакуум, аргон и др.) с парциальным давлением азота по крайней мере не превышающим для данной температуры своего критического значения, определяющего начало газонасыщения. Учитывая значение коэффициента диффузии азота в хроме при 1100-1300°С:

сплав азот хром газонасыщение

(4)

определяем, что уже при времени t=600 с, T=1200°С, глубина газонасыщенного слоя составит не менее 8000 мкм. Химическая полировка поверхности хрома на глубину порядка 100 мкм, позволяющая удалить дефектный слой, приводит к понижению температуры хрупкого перехода на 300-500°С. Столь существенное влияние газонасыщения на основные свойства хрома практически исключает возможность его высокотемпературной эксплуатации даже при кратковременных режимах работы.

Рассмотрим теперь параметры физико-химического высокотемпературного взаимодействия хрома с кислородом. Зависимость предела растворимости кислорода в хроме от температуры имеет вид (для 1110-1500°С):

lg C_max = 3,09-7900/T, (5)

Учитывая значения изменения стандартного изобарно-изотермического потенциала определяются по реакциям (1):

2/3 Cr + Ѕ O₂ «1/3 Cr₂O₃

ДG_т°= - 373422 + 86,6/Т (6)

и Ѕ О₂ «[O]_Cr

ДG_т°= - 221961,2 + 65,77Т (7)

имеем, что переход кислорода из пленки Сr₂O₃ при высоких температурах (более 1000°С) невозможен. Однако, по другим данным отмечается возможность образования газообразного СrO₃из Сr₂O₃ при температурах выше 1000°С. Механизм взаимодействия кислорода и хрома существенно отличается от таковой реакции последнего с азотом, что связано со значительно большей термодинамической устойчивостью оксида Сr₂O₃ по сравнению с СrN и Сr₂N. В связи с этим, согласно [6] высокотемпературное окисление хрома происходит путем одновременной миграции катионов и анионов через Сr₂O₃ с образованием оксида внутри оксидного слоя. Последнее существенно замедляет глубину проникновения кислорода в хром за счет фазовых реакций, однако возникающие при этом в оксидной пленке сжимающие напряжения, приводят к ее разрушению, отслаиванию и увеличению глубины оксидного слоя. Оксидная пленка не препятствует диффузии азота через нее, что приводит к образованию при отжигах на воздухе под слоем оксида хрома его нитридов и глубокому газонасыщению.

Таким образом, вышеизложенные термодинамические данные указывают на невозможность предотвращения газонасыщения хрома кислородом и азотом без предварительной обработки его поверхности и специального легирования.

Разработанные малолегированные сплавы хрома, а также различные способы их рафинирования на металлургических переделах позволили значительно повысить пластичность материала за счет снижения его чувствительности к элементам внедрения. Однако, легирование не позволяет исключить интенсивного газонасыщения в реальных эксплуатационных средах.

Рассмотрим теперь различные варианты поверхностной обработки сплавов хрома, позволяющие затормозить процессы газонасыщения. Практика химико-термической обработки поверхности показывает возможность применения двух принципиально различных методов: поверхностное легирование с созданием диффузионного слоя заданного фазового и химического состава, и осаждение на поверхности специального защитного покрытия. Из первой группы методов наиболее приемлемым вариантом может явиться рациональное диффузионное легирование хрома кислородом с целью создания высокоплотной пленки его оксида, если при этом будут соблюдены условия физико-химической и термомеханической совместимости оксида и основы, а также будет обеспечена высокая структурная стабильность оксида. Выше отмечалось, что высокоплотная керамика Сr₂O₃ может явиться эффективным барьером диффузии кислорода при температурах не выше ~1000°С, поскольку при более высоких температурах может образовываться газообразный оксид СrO₃. Оксидная пленка на нелегированном хроме не препятствует диффузии азота, однако, оксид Сr₂O₃ на малолегированных сплавах вероятно позволит понизить степень газонасыщения, в связи с чем варианты использования данного метода поверхностной обработки не исключаются.

В качестве конденсационных защитных покрытий могут использоваться, например, ионно-плазменные покрытия системы Me-Cr-Al-Y, широко распространенные в настоящее время. Они хорошо зарекомендовали себя для повышения жаростойкости никелевых суперсплавов и, вероятно, могут не менее эффективно использоваться и на сплавах хрома.

Таким образом, в работе можно сделать следующие выводы:

· Массовое количество азота, составляющее более 3·10^-3%, приводит к резкому охрупчиванию нелегированного хрома и повышению температуры хрупкого перехода на сотни градусов.

· Технологические операции переработки хрома в контролируемых средах необходимо проводить с парциальным давлением азота по крайней мере не превышающим для данной температуры своего критического значения, определяющего начало газонасыщения.

· Оксидная пленка не препятствует диффузии азота через нее, что приводит к образованию при отжигах на воздухе под слоем оксида хрома его нитридов и глубокому газонасыщению.

· Легирование и рафинирование позволяет значительно повысить пластичность материала за счет снижения его чувствительности к элементам внедрения, что, однако, не позволяет исключить интенсивного газонасыщения в реальных эксплуатационных средах.

· Для предотвращения газонасыщения при высокотемпературной эксплуатации сплавов хрома необходимо нанесение специальных защитных покрытий, способных оказать значительный барьерный эффект на диффузионные потоки в системе подложка-покрытие-атмосфера.

Литература

1. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей. - М.: МИСИС, 2001. 632 с.

2. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. Нью-Йорк-Лондон-Сидней-Торонто, 1972. Пер. с англ. М., «Металлургия», 1976. 568 с., ил.

3. Гончаров В.С., Гончаров М.В., Васильев Е.В. Влияние технологических параметров нанесения иттрий содержащих покрытий на их структуру и свойства // Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115. №2. С. 179-185.

4. Гончаров В.С., Васильев Е.В. Жаростойкие покрытия на основе иттрия // Вектор науки тольяттинского государственного университета. 2013. №3 (25). С. 136-139.

5. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. -2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. 384 с., ил.

6. Самсонов Г.В. Физико-химические свойства окислов. Справочник. М.: Металлургия, 1978. 472 с.

Размещено на Allbest.ru