Повышенных температурах

Особенности поведения сплавов в условиях нагружения при

Конструкционные жаропрочные стали и сплавы

Сплавы, работающие при повышенных температурах (> 500 °С) называются жаропрочными. Их используют в газовых турбинах самолетов и кораблей, промышлен­ных энергетических установках и автомобилях, в косми­ческих кораблях, ракетных двигателях, нефтехимическом оборудовании и других объектах, работающих при высо­ких температурах. К числу деталей, работающих при указанных и более высоких температурах, относятся ра­бочие и направляющие лопатки газовых турбин, диски и корпуса камер сгорания ракетных двигателей и т. п. К материалам, работающим определенное время при высоких температурах, независимо от их назначения, предъявляют комплекс требований, основным из которых является жаропрочность.

Жаропрочностью называется сопротивление пластичес­кой деформации при длительном воздействии нагрузки в области повышенных температур. Кроме жаропрочно­сти сплавы, работающие при повышенных температурах, должны обладать хорошей жаростойкостью и техноло­гичностью. Конкретный выбор материалов для изготов­ления тех или иных деталей определяется условиями их службы. Так, для рабочих лопаток турбин, которые в процессе работы подвергаются растягивающим напря­жениям порядка 140 МПа при переменных температурах от 650 до 1000 °С кроме высокой жаропрочности мате­риал должен обладать соответствующей пластичностью, сопротивлением циклической и термоциклической уста­лости (нагрев - охлаждение), низким коэффициентом термического расширения, повышающим сопротивление термической усталости, иметь высокую стойкость к окис­лению при взаимодействии с продуктами сгорания топ­лива.

Жаропрочные материалы можно разделить на четыре группы: 1) жаропрочные стали; 2) стареющие сплавы; 3) ис­кусственные композиционные материалы (упрочненные дисперсными частицами или волокнами тугоплавких или высокопрочных соединений; 4) естественные волокнистые материалы - направленно-закристаллизованные эвтек­тики.

Рис. 12. Кривые ползучести при постоянном напряжении и различных температурах

На рис. 12 участок ОА соот­ветствует упругой и пластической деформации, возникающей в мо­мент приложения нагрузки. За­тем деформация возрастает. Обыч­но различают три стадии этого роста.

Первая стадия ползучести (или логарифмическая) участок АВ на кривой. Эта ползучесть наблюдается преимущественно при низких температурах, когда возврат свойств незна­чителен. Поэтому в результате деформации металл упрочняется, и скорость ползучести с увеличением вре­мени уменьшается. Логарифмической она называется потому, что на этой стадии удлинение пропорционально логарифму времени.

Вторая стадия - линейна. Это - стадия установив­шейся ползучести, и наиболее явно она проявляется при высоких температурах. Здесь происходит равновесие про­цессов деформационного упрочнения и возврата. Эта ста­дия ползучести наиболее важна, так как с ней связана основная часть деформации, которую испытывают детали, работающие под нагрузкой в условиях высоких тем­ператур.

Третья стадия ползучести, на которой начина­ется быстрое возрастание деформации, - стадия приво­дящая к разрушению. Разрушение начинает развиваться уже в начале этой стадии: по границам зерен появляют­ся поры, которые начинают расти и объединяться друг с другом, что приводит к появлению на границах зе­рен трещин и их развитию, приводящему к разру­шению.

В деформацию при ползучести вклад вносят три про­цесса: 1) сдвиг внутри зерен, 2) межзеренное скольже­ние, 3) процессы переползания дислокаций и вакансий. Причем относительный вклад этих механизмов меняется в. зависимости от скорости деформации и температуры. Чем выше температура и меньше скорость деформации, тем большую роль играет скольжение по границам зерен и процессы переползания дефектов.

Механизмы торможения дислокаций, приводящие к замедлению ползучести, очень разнообразны - дисперсные частицы избыточных фаз, дефекты упаковки, дислокационные сетки и др.

Естественным путем повышения жаропрочности явля­ется выбор более тугоплавких металлов. Но, даже в сплавах на одной и той же основе, температурный ин­тервал жаропрочности можно значительно повысить пу­тем легирования. Повышение жаропрочности при легиро­вании тугоплавкими элементами (Мо, W, Та, Nb и др.) обусловлено в основном замедлением процессов диффузии. Легирование упрочняет основу сплава, повышает температуру рекристаллизации. Легирование же такими относительно нетугоплавкими элементами, как алюми­ний и титан, - повышает жаропрочность за счет выде­ления упрочняющих интерметаллидных фаз. Наконец, совместное легирование углеродом и карбидообразующими элементами – V, Cr, Ta, Mo и др., способствуя карбидному упрочнению, увеличивает и жаропрочность. Иногда сочетают карбид­ное упрочнение с интерметаллидным.

Для получения максимальной жаропрочности важно создать не только определенную микроструктуру (т. е. выделение и распределение тех или иных упрочняющих фаз), но и обеспечить получение определенной макро­структуры (размера и формы зерен). Это требование обусловлено тем, что при высоких температурах (выше 0,6…0,7 Т_пл) по границам зерен происходит проскальзывание, причем доля проскальзывания может достигать 90 % общей деформации. Увеличение размера зерна при­водит к уменьшению площади границ зерен и снижает скорость ползучести. Следовательно, более высокие свой­ства будут у сплавов с крупным зерном. Не случайно сейчас в технике развиваются методы получения литых монокристаллических деталей, в которых границы зерен вообще отсутствуют. Наряду с необходимостью увели­чения размеров зерна требуется воздействовать и на со­стояние границ зерен. Легирование сплавов B, Ce, Hf и другими элементами приводит к за­труднению проскальзывания.

Еще одним путем, используемым для повышения жа­ропрочности, является улучшение технологии выплавки. Наиболее эффективным и перспективным металлурги­ческим методом улучшения жаропрочности является ис­пользование направленной кристаллизации, при которой получается специально ориентированная структура, спо­собствующая повышению длительной прочности при температуре эксплуатации сплава. Рабочие температуры сплавов, применяемых для изготовления лопаток га­зовых турбин, можно повысить с 900 до 1000 °С методом направленной кристаллизации.