Жаропрочные сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФГБОУ ВО «БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерный факультет

РЕФЕРАТ

«Жаропрочные сплавы»

Выполнили

Студенты 1 курса 1-ТМО группы

очного формы обучения

Азиззода А.Ш.

Амонбоев А.А.

Проверил: к.х.н., доцент кафедры ТХиМ

Каримова Э.Р.

УФА - 2019

История

Первые жаропрочные стали для газотурбинных двигателей были разработаны в Германии фирмой Krupp в 1936--1938 годах. Высоколегированная аустенитная сталь Тинидур создавалась как материал рабочих лопаток турбины на температуры 600--700 °C. Тинидур -- аустенитная сталь с дисперсионным твердением (Ni3Ti) и карбидным упрочнением. В 1943-44 годах годовое производство Тинидур составляло 1850 тонн. Институтом DVL и фирмой Heraeus Vacuumschmelze были разработаны аустенитые стали (сплавы по английской терминологии) DVL42 и DVL52 на более высокие рабочие температуры 750--800 °C. Составы сталей приведены в таблице.

Таблица Химические составы германских аустенитных жаропрочных сталей для газотурбинных двигателей

В Германии 1940-х годов среди разработчиков авиационных ГТД существовало стремление повысить температуру газа перед турбиной до 900 °C. С этой целью институт DVL совместно с рядом фирм экспериментировал с аустенитными сложнолегированными сплавами. В ходе войны была признана невозможность подобного решения по причине острого дефицита в Германии легирующих элементов. В результате исследования приняли два направления: 1. создание полых охлаждаемых воздухом лопаток (рабочих и сопловых) при соответствующем снижении легирования используемых материалов; 2. исследование возможностей керамических материалов. Оба направления работ являлись пионерскими, по каждому из них были получены значимые результаты. Первые серии реактивного двигателя Jumo-004 выпускались с 1942 года с монолитными рабочими и сопловыми лопатками из материала Тинидур. Позднее заменены полыми охлаждаемыми лопатками из того же материала, что позволило повысить температуру газа перед турбиной до 850 °C (серия Jumo-004E). С 1944 года на двигателе Jumo-004 применялись охлаждаемые рабочие лопатки из менее дефицитной стали Cromadur.

К 1942 году в Великобритании создан жаропрочный сплав нимоник-80 -- первый в серии высокожаропрочных дисперсионно-твердеющих сплавов на никель-хромовой основе. Создатель сплава -- сэр Уильям Гриффитс Griffiths W. T. Основа сплава нимоник-80 -- нихром (80 %Ni -- 20 %Cr), известный с начала XX века своей высокой жаростойкостью и высоким электрическим сопротивлением. Ключевыми легирующими элементами сплава нимоник-80 являлись титан (2,5 %) и алюминий (1,2 %), образующие упрочняющую фазу. Количество упрочняющей гамма-штрих фазы в сплаве составляло 25-35 об%[5]. Нимоник-80 использовался в деформированном состоянии для изготовления рабочих лопаток турбины одного из первых газотурбинных двигателей Ролс-Ройс «Нин», стендовые испытания которого начались в октябре 1944 г. Лопатки турбины из сплава нимоник-80 обладали высокой длительной прочностью при температурах 750--850 °C. В СССР аналогами сплава нимоник-80 являются никелевые жаропрочные сплавы ЭИ437, ЭИ437А (ХН77ТЮ) и ЭИ437В (ХН77ТЮР), срочным порядком созданные к 1948 году сотрудниками ВИАМ, ЦНИИЧермет и завода «Электросталь» при участии Ф. Ф. Химушина[6].

Основу жаропрочных сплавов, как правило, составляют элементы VIII группы таблицы Менделеева. До 40-х годов XX века основу жаропрочных сплавов составляли железо или никель. Добавлялось значительное количество хрома для увеличения коррозионной стойкости. Добавки алюминия, титана или ниобия увеличивали сопротивление ползучести. В некоторых случаях образовывались хрупкие фазы, такие, например, как карбиды M23C6. В конце 40-х годов прекратилось, в основном, использование железа как основы жаропрочных сплавов, предпочтение начали отдавать сплавам на основе никеля и кобальта. Это позволило получить более прочную и стабильную гранецентрированную матрицу.

В конце 1940-х годов была обнаружена возможность дополнительного упрочнения жаропрочных сплавов путём легирования молибденом. Позже для этой же цели начали применять добавки таких элементов, как вольфрам, ниобий, тантал, рений и гафний. (См. Карбид тантала-гафния)

Сплавы на основе никеля

Рабочая лопатка ротора турбины двигателя RB199, из литейного никелевого жаропрочного сплава, бывшая в эксплуатации.

В 1950-х годах компаниями Pratt & Whitney и General Electric были разработаны сплавы Уаспалой (Waspaloy) и M-252, легированные молибденом и предназначенные для лопаток авиационных двигателей. Затем были разработаны такие сплавы, как Hastelloy alloy X, Rene 41, Инконель, в том числе Inco 718, Incoloy 901 и др.

Согласно оценкам экспертов, за период х годов химические составы никелевых жаропрочных сплавов изменялись наиболее значительно за счет введения алюминия и замещающих его элементов в ' фазе. Указанное привело к увеличению объемной доли ' фазы от 25-35 об.% в сплавах нимоник 80 и U-700 до 65-70 об.% в современных лопаточных материалах[5].

Легирование

Жаропрочные сплавы на основе никеля, как правило, обладают сложным химсоставом. Он включает 12 -- 13 компонентов, тщательно сбалансированных для получения необходимых свойств. Содержание таких примесей, как кремний (Si), фосфор (P), сера (S), кислород (O) и азот (N) также контролируется. Содержание таких элементов, как селен (Se), теллур (Te), свинец (Pb) и висмут (Bi) должно быть ничтожно малым, что обеспечивается подбором шихтовых материалов с низким содержанием этих элементов, т. к. избавиться от них в ходе плавки не представляется возможным. Эти сплавы обычно содержат 10--12 % хрома (Cr), до 8 % алюминия (Al) и титана (Ti), 5-10 % кобальта (Co), а также небольшие количества бора (B), циркония (Zr) и углерода (C). Иногда добавляются молибден (Mo), вольфрам (W), ниобий (Nb), тантал (Ta) и гафний (Hf).

Легирующие элементы в этих сплавах можно сгруппировать следующим образом:

Элементы, образующие с Ni аустенитную -матрицу с гранецентрированной кристаллической решёткой -- Co, Fe, Cr, Mo и W Элементы, образующие упрочняющую ' фазу (Ni3X) -- Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При этом Ti, Nb и Ta входят в состав фазы и упрочняют её. Элементы, образующие сегрегации по границам зёрен -- B, C и Zr

К карбидообразующим элементам относятся Cr, Mo, W, Nb, Ta и Ti. Al и Cr образуют оксидные плёнки, защищающие изделия от коррозии.

Таблица Типичный химсостав деформируемых жаропрочных сплавов на никелевой основе

Таблица Типичный химсостав литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе[8]

Фазовый состав

К основным фазам жаропрочных сплавов относятся:

Гамма-фаза () является матрицей с г. ц.к. кристаллической решёткой. В твёрдом растворе этой фазы содержится большое количество Co, Cr, Mo, W Гамма-штрих (') фаза образует частицы преципитата, имеющего также г. ц.к. кристаллическую решётку. В эту фазу входят такие элементы, как Al и Ti. Объёмная доля этой фазы, когерентной аустенитной матрице достаточно велика Карбиды. Содержание углерода в сплавах относительно невелико (0,05-0,2 %). Он соединяется с карбидообразующими элементами -- Ti, Ta, Hf Зернограничная '-фаза. Эта фаза образуется в виде плёнки по границам зёрен в процессе термической обработки. Бориды Выделяются по границам зёрен в виде редких частиц Фазы т. п. у. (топологически плотно упакованные фазы) имеют пластинчатую морфологию. Пример: фазы, и фаза Лавеса. Эти фазы приводят к охрупчиванию материала и являются нежелательными.

Термическая обработка

Деформируемые никелевые жаропрочные сплавы содержат в матрице дисперсные выделения карбидов типа MC. Гомогенизационный отжиг даёт возможность подготовить матрицу к получению равномерного распределения частиц упрочняющей фазы ' в процессе последующего старения. Для примера, для сплава Inco 718 гомогенизационный отжиг продлится в течение 1 часа при 768 °C, а старение проводится в два этапа: 8 часов при 718 °C и 8 часов при 621 °C. После гомогенизационного отжига важно выдержать скорость охлаждения, чтобы препятствовать выделению нежелательных фаз. Охлаждение между этапами старения проводится плавно в течение 2 часов.

Жаропрочность

Одним из факторов, определяющих жаропрочность, является высокое сопротивление ползучести. Жаропрочность сплавов оценивается пределами длительной прочности или ползучести при высоких температурах, и связана, в первую очередь, с их структурой и составом. По структуре жаропрочные сплавы должны быть многофазными с прочными границами зёрен и фаз[1]. В никелевых жаропрочных сплавах сказанное обеспечивается многокомпонентным легированием. При этом жаропрочность сплавов тем выше, чем больше объёмная доля упрочняющих фаз и чем выше их термическая стабильность, то есть устойчивость против растворения и коагуляции при повышении температуры.

Длительная прочность

Никелевые жаропрочные сплавы используются при температурах 760--980 °C. Литые жаропрочные сплавы имеют высокоую длительную прочность при более высоких температурах. Например, сплав MAR-M246 имеет длительную прочность 124 МПа после 1000 часов выдержки при 982 °C.

Жаропрочные сплавы на никелево-железной основе используются при температурах 650--815 °C. Их длительная прочность намного ниже.

Таблица Длительная прочность жаропрочных сплавов при трёх температурах, МПа

Сплавы на основе кобальта

Ещё в начале XX века компанией Хэйнс (англ. Haynes) были получены патенты на сплавы системы Co -- Cr и Co -- Cr -- W. Эти сплавы, именуемые «стеллитами» использовались вначале для производства режущего инструмента. и износостойких деталей. В 1930-х годах был разработан литейный Co -- Cr -- Mo сплав для зубного протезирование Vitallium. Аналогичный по составу сплав HS-21 начал использоваться десятилетие спустя в турбонагревателях и газовых турбинах. Тогда же начали использовать сплав системы Co -- Ni -- Cr для направляющих лопаток газотурбинных двигателей. В 1943 г. был разработан литейный сплав Co -- Ni -- Cr -- W (X-40) также применяемый при изготовлении лопаток. В 1950--1970 годы были разработаны новые никелевые жаропрочные сплавы, изготовленные путём вакуумной выплавки и упрочняемые за счёт выделения фазы. Это привело к уменьшению использования сплавов на основе кобальта.

Особенности жаропрочных сплавов на кобальтовой основе

Температура плавления у сплавов на кобальтовой основе -- более высокая. По этой причине повышены характеристики длительной прочности. Эти жаропрочные сплавы могут работать при более высоких температурах, по сравнению со сплавами на основе никеля и железа Высокое содержание хрома повышает сопротивление горячей коррозии Сплавы характеризуются повышенным сопротивлением термической усталости и имеют хорошую свариваемость.

Монокристаллические жаропрочные сплавы

В 1970--1980 годы началось применение литых жаропрочных сплавов, полученных методами направленной кристаллизации и монокристаллических сплавов на никелевой основе. Применение этих материалов (на никелевой основе) позволило увеличить прочность и термическую долговечность лопаток газовых турбин.

Таблица Химический состав жаропрочных сплавов, полученных методами направленной кристаллизации[8]

Таблица Химический состав монокристаллических жаропрочных сплавов

Диффузионные покрытия

Поскольку турбинные лопатки, изготовленные из литейных жаропрочных сплавов работают при высоких температурах и в агрессивной среде, возникает необходимость в их защите от горячей коррозии. С этой целью используют диффузионные покрытия двух типов, т. н. пакетная цементация и покрытия, наносимые в газовой фазе. В процессе покрытия происходит обогащение поверхностного слоя алюминием и образование алюминида никеля, как матрицы покрытия.

Процесс пакетной цементации

плазменный покрытие никелевый кобальтовый

Процесс происходит при более низкой температуре (около 750 °C). Детали помещаются в коробки со смесью порошков: активный материал, содержащий алюминий и образующий покрытие, активатор (хлорид или фторид) и термический балласт, например, окись алюминия. При высокой температуре образуется газообразный хлорид (или фторид) алюминия, который переносится на поверхность изделия. Затем происходит распад хлорида алюминия и диффузия алюминия вглубь объема. Образуется т. н. «зелёное покрытие», очень хрупкое и тонкое. После этого проводится диффузионный отжиг (несколько часов при температурах около 1080 °C). При этом образуется окончательное покрытие.

Покрытие в газовой фазе

Процесс идёт при более высокой температуре около 1080 °C. Активный материал, содержащий алюминий, не находится в непосредственном контакте с изделием. Нет необходимости и в термическом балласте. Процесс отличается диффузией вовне. Также требуется диффузионный отжиг.

Плазменные покрытия

Более современной технологией защиты лопаток является плазменное напыление термобарьерных покрытий. Как правило, термобарьерное покрытие состоит из нескольких слоев -- подслой, слой MeCrAlY, слой керамики (часто применяют оксид циркония, стабилизированный иттрием). Для разных двигателей аттестованы вакуумное или атмосферное плазменное напыление, однако все современные разработки выполняются на атмосферной плазме, как более дешевой в эксплуатации.

Литература

1 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. -- М.: «Металлургия», 2007.

2 Строение и свойства авиационых материалов. -- М.: «Металлургия», 2011.

3 Ф. Жаропрочные стали и сплавы. -- М.: «Металлургия», 2009.

Размещено на Allbest.ru