Жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта

Жаропрочные стали различных классов

В зависимости от структуры жаропрочные стали под­разделяют на принадлежащие к мартенситному, мартенситно-ферритному или ферритному классу; при этом используются также более дорогие стали аустенитно-мартенситного, аустенитно-ферритного и аустенитного класса.

Стали мартенситного класса (часто называемые сильхромами) содержат примерно 0,4 % С (0,35…0,45); 9…10 % Сr, 2…3 % Si. К сталям этого типа принадле­жат, например 4Х9С2, Х6СМ, 1Х12Н22ВМФ и др. Для снижения склонности к отпускной хрупкости их легиру­ют молибденом (примерно до 1…1,5 %). Эти стали ис­пользуют в основном для изготовления выхлопных кла­панов автомашин, тракторов и т.д. Рабочая температура их эксплуатации не должна превышать 700 °С.

Стали мартенситно-ферритного класса - это высоко­легированные стали с содержанием 11…12 % Сr и не­большими добавками Mo, W, V, образующими карбиды, упрочняющими сталь и повы­шающими сопротивление ползучести. К сплавам этого класса относят такие марки, как 1Х11МФ, 1Х12ВНМФ, 18Х11МФБ, 1Х12В2МФ. Их применяют для изготовления дисков, лопаток и затворов газовых турбин, работаю­щих до 10000 ч при температурах 600…650 °С. Эти стали используют, как правило, в термически обработанном состоянии, т.е. после закалки с 1000…1050 °С и отпуска при 650…720 °С. Иногда их легируют ниобием.

Стали ферритного (ферритно-перлитного) класса - это низкоуглеродистые стали, с содержанием около 0,2 % С, легированные хромом (в количестве 2…3 %), молибденом, вольфрамом и ванадием (каждого менее чем по 1 %).. Молибден, ванадий и хром остаются в твердом растворе и повышают устойчивость феррита; легирование ванадием необходимо для выделения карбидов, повышающих длительную прочность. Эти стали применяют в области температур 500…550 °С для дисков и роторов газовых турбин, крепежных деталей, для труб котлов высокого давления с температурой пара до 500…530 °С. Марки сталей этого класса - 12МХ, 15МХ, 20Х3МВФ. Последняя сталь при кратковременных выдержках может быть использована при температурах до 580 °С.

Стали аустенитно-мартенситные и аустенитно-ферритные содержат 13…28 % Сr; 2…13 % Ni, а также мар­ганец, титан, алюминий. К этому классу относят такие марки, как 2Х13Н4Г9, Х15Н9Ю, 2Х17Н2, Х23Н13 и другие.

Из-за большей растворимости углерода в аустените, по сравнению с ферритом, стали аустенитного класса от­личаются более высокой жаропрочностью, по сравнению со сталями на ферритной основе. Аустенитные стали отличают как по способу упрочнения, так и по свойствам и областям их применения.

Различают стали не упрочняемые термической об­работкой и стали с карбидным и интерметаллидным уп­рочнением.

Не упрочняемые термической обработкой аустенитные стали (типа 12Х18Н10Т, 08Х23Н18, 09Х14Н16Б и др.) используют в закаленном с 1050…1100 °С состоя­нии. Их условно считают однофазными, хотя в действи­тельности они содержат небольшое количество карбонитридов (для предотвращения межкристаллитной корро­зии).

Эти стали используют при рабочих температурах до 700 °С, главным образом, в тех областях, где требуется сочетание жаропрочности с высокой жаростойкостью.

Аустенитные стали с карбидным упрочнением - это высокохромистые стали, содержащие 0,1…0,4 % С и ле­гированные одним или несколькими карбидообразующими элементами - титаном, ниобием, ванадием или мо­либденом (например, 1Х25Н25ТР, 37Х12Н8Г8МФБ и др.). Их термическая обработка состоит в закалке с 1050…1100 °С в воде и отпуске при 650…700 °С, в ре­зультате которого из аустенита выделяются карбиды, повышающие жаропрочность. Эти стали применяют для изготовления клапанов двигателей, различных деталей газовых турбин, работающих в интервале температур 600…700 °С, а при умеренных напряжениях - до 800…850 °С.

После эксплуатации при рабочих температурах в ста­лях могут выделяться частицы как s - фазы, типа FeCr, так и других избыточных фаз, приводящих к охрупчиванию. Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением обладают наибольшей жаропрочностью. Упрочнение про­исходит после старения закаленных сталей, при котором выделяются частицы интерметаллидных фаз типа Ni₃Ti, Fe₂Ti, Nb₃Al и др. Повышения жаропрочности аустенитной матрицы, кроме легирования титаном, ниобием, молибденом и танталом, добиваются добавками хрома, вольфрама и молибдена. Такие стали обычно закали­вают с 1100…1150 °С на воздухе, а старение проводят при 700…750 °С в течение 15…20 ч.

Из сталей типа Х12Н20ТЗР, ХН35ВТЮ, Х14Н14В2М и др. изготавливают высоконагруженные детали, рабо­тающие при 600…750 °С в окислительных атмосферах (кольца, корпуса, диски и лопасти турбин).

Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются, и поэтому сталь Х12Н20ТЗР используют для изготовле­ния деталей сложных форм с высокой прочностью, со­храняющейся до 750—800 °С.

Обрабатываемость резанием аустенитных сталей хуже, чем перлитных. В процессе длительной эксплуа­тации они могут охрупчиваться не только из-за выделе­ния частиц s - фаз (типа FeCr, FeМо), но и интерметаллидов типа фаз Лавеса (Со₂Мо, Fe₂W и др.). Для пре­дотвращения их разрушения после определенного срока службы детали из этих сталей подвергают повторной термической обработке, состоящей из закалки с 1100…1150 °С, при которой указанные фазы растворяются, и повторного старения при 700…750°С, 15…20 ч. Для снижения охрупчивания и частоты повторной термической обработки готовых изделий в хромоникелевые аустенитные стали иногда вводят бор. При этом высокая жаропрочность достигается за счет боридной эвтектики, выделяющейся по границам зерен. Эта эвтек­тика сама по себе не подвержена охрупчиванию, и ее присутствие в сталях приводит к улучшению пластиче­ских свойств именно при рабочих температурах.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе в большин­стве своем относятся к числу стареющих, т. е. таких, в которых упрочнение происходит за счет выделения ча­стиц упрочняющих фаз. Эти сплавы получили наиболее широкое распространение в быстро развивающихся от­раслях техники.

Стареющие сплавы на никелевой и кобальтовой ос­новах применяются как в деформированном, так и в ли­том состояниях. Причем литым сплавам присуща более высокая жаропрочность, так как в них можно повы­сить содержание упрочняющей фазы (рис. 13).

Рис. 13. Жаропрочность (300-часовая длительная прочность) литых никелевых сплавов по сравнению с лучшим деформируемым сплавом - нимоник-115:

1 – нимоник-115; 2 – нимокаст-713; 3 - никонель 738; 4 – нимокаст РК24

Литые спла­вы широко применяют для из­готовления как статически, так и динамически нагружаемых деталей, особенно там, где ве­лика стоимость механической обработки.

Сплавы на кобальтовой ос­нове несколько уступают ни­келевым в жаропрочности, но обладают преимуществом в коррозионной стойкости, осо­бенно по отношению к серни­стым соединениям. У лучших кобальтовых сплавов жаро­прочность сохраняется до 1000°С, а коррозионная стой­кость до 1100…1100 °С. Одна­ко кобальтовые сплавы исполь­зуют очень мало из-за дефицитности и дороговизны ко­бальта.

Основное упрочнение и никелевых и кобальтовых сплавов связано с выделением при старении упорядо­ченных g¢ - фаз, соответственно Ni₃А1 и Co₃Ti или же бо­лее сложных составов, например (Ni, Co, W)₃(Al, Ta, Cr). Особенностью этих фаз является аномальное увели­чение их прочности с повышением температур до 0,5…0,6 Т_пл.

Так, например, прочность фазы, соответствую­щей по составу чистому Ni₃Аl, при 700 °С в четыре раза выше, чем при комнатной температуре. Легирование ее такими элементами, как титан, вольфрам, ниобий и тан­тал, не только увеличивает абсолютные значения проч­ности, но повышает также температуру, соответствую­щую максимуму прочности. Причиной увеличения проч­ности этих упорядоченных фаз с температурой является растущая возможность возникновения сверхдислокаций и специальные механизмы их торможения в решетках упорядоченных фаз.

Рис. 14. Температурно-ориентационная зависимость предела текучести

монокристаллов Ni₃А1

Второй отличительной особенностью g¢ - фаз является то, что в них сильно проявляется анизотропия механиче­ских свойств. И что особенно важно - температура со­ответствующая максимальным значениям прочности Т_{м ax} зависит от ориентации кри­сталлов. Так, например, в монокристаллах Ni₃А1, ори­ентированных по направле­нию <111>, температура максимума прочности равна 650°С, а при ориентации в направлении <100> она составляет 800°С (рис. 14).

В стареющих сплавах указанные аномальные свой­ства g¢ - фаз проявляются тем сильнее, чем выше в них содержание g¢ - фазы. Поэто­му современные жаропроч­ные сплавы на никелевой и кобальтовой основах содер­жат до 50…60 % (объемн.) g¢ - фазы.

Современные стареющие высокожаропрочные сплавы легируют большим числом элементов (Mo, Сr, А1, Тi, Ni, W, Та). Такие сложнолегированные материалы получили название суперсплавов. Усложнение их составов осу­ществляется по принципам так называемого рациональ­ного легирования (т.е. с учетом влияния элементов на прочностные и пластические характеристики). Так для повышения объемной доли упрочняющих интерметаллидных фаз, сплавы легируют алюминием и титаном. Было установлено, что оптимальное содержание этих элементов по отдельности или в сумме не должно пре­вышать 7…8 %. Для повышения структурной стабильности, т.е. величины Т_мax, сплавы легируют тугоплавкими элементами: танталом, вольфрамом и ниобием. Эти элементы, а также хром, кобальт и молибден вводят в сплавы для упрочнения и матричного твердого раствора. Легирование проводят так, чтобы матрица и g¢ - фазы имели как можно более близкие периоды их кристаллических решеток, поскольку установлено, что равенство параметров решеток способствует выделению частиц равноосной формы, сохранению когерентной связи матрицы с g¢ - фазой и повышению жаропрочности. Элементами, уменьшающими различие в периодах решеток матрицы и g¢ - фазы, являются хром, молибден и железо. Для по­вышения сопротивления высокотемпературной газовой коррозии используют не только хром, молибден, но и ко­бальт, а также ниобий и микродобавки (в количествах 0,01…0,1 % Zr, В, Hf, Y, Се и др.).

Для улучшения высокотемпературной пластичности, как уже отмечалось, вводят до 0,6 % В. Наряду с интерметаллидным для жаропрочных никелевых и кобаль­товых сплавов применяют и чисто карбидное упрочнение. Легирование сплавов элементами W, Мо, Та, Сr, Тi в сочетании с высоким содержанием углерода (до 0,6…0,7 %) обеспечивает упрочнение за счет мелкодисперсных карбидов. Но при высоких температурах карбидное упрочнение менее устойчиво по сравнению с интерметаллидным. В процессе длительных выдержек при высоких температурах карбиды изменяют свой состав, морфоло­гию и даже кристаллическую структуру, что увеличивает скорость ползучести. Карбидное упрочнение сочетают с интерметаллидным, однако в этих случаях сужаются пределы изменений в содержании углерода до 0,02…0,25 %. При содержаниях углерода менее 0,02 % объем­ная доля карбидов мала и решающее влияние оказывает интерметаллидное упрочнение, а при содержаниях угле­рода больше 0,25 % наблюдается избыточное выделение карбидов, приводящее к охрупчиванию сплавов.

Известно, что соотношение прочностных и пластиче­ских свойств в двухфазных и многофазных сплавах за­висит от структуры сплава. Для создания оптимальной структуры стареющих жаропрочных сплавов используют термическую, а в последнее время и термомеханическую обработку. Конкретный выбор режимов термической об­работки зависит от состава сплава, так как от этого за­висит фазовый состав и морфология выделяющихся фаз.

Для обоснованного назначения режимов термических обработок строят диаграммы в координатах температу­ра-время-превращение, получивших в иностранной литературе название Т-Т-Т диаграмм. Для получения необходимых свойств в сложнолегированных жаропроч­ных сплавах, как правило, применяют и сложные терми­ческие обработки: двух-, трехступенчатые и более сложные режимы старения. Термической обработке подверга­ют как деформированные, так и литые сплавы.

Отметим, что термомеханическая обработка жаро­прочных сплавов позволяет повысить прочностные свой­ства без снижения пластичности.