Доклад: Анализ влияния химического состава и технологии получения на жаропрочность металлов и сплавов

Другим путем повышения свойств теплоустойчивых сталей (длительной прочности и сопротивления по ту чести) может быть микролегирование. Правильный выбор микролегирующих добавок, их сочетание и последовательность ввода в оптимальном количестве могут значительно повысить длительную прочность и сопротивление ползучести, а также сократить расход молибдена.

На рис.5 показано изменение сопротивления ползучести хромомолибденванадиевой стали и стали аналогичного состава с добавками бора, РЗМ и циркония. Микролегирование позволяет значительно уменьшить скорость ползучести такой стали, поскольку микродобавки благоприятно влияют на тонкую дислокационную структуру, фазовый состав стали и количество выделяющейся упрочняющей карбидной фазы.

Так, при введении циркония в количестве до 0,5 мас.% образуются дисперсные частицы карбида ванадия, снижается содержание карбидов Ме:, С\ Ме7Сз и Ме2зС(), формируются бейнитные участки с высокой плотностью дислокации. Кроме того, микролегирование упомянутыми добавками уменьшает количество неметаллических включений, изменяет их тип, форму, размеры и характер распределения.

Таким образом, улучшить качество хромомолибденванадаевой стали можно путем применения ЭШП, использования чистых по вредным примесям шихтовых материалов, снижением азота и алюминия в металле до 0,01 мас.% каждого, а также применением микролегирования. Такой металл можно рекомендовать для мощных энергоблоков с целью увеличения их срока службы в 2-2,5 раза.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе применяются, главным образом в качестве материала деталей, работающих в интервале 700-1100°С и условиях значительных напряжений и агрессивной среды продуктов сгорания топлива.

???.6 ???????? ????????????? ?????????? ??????????????????? ??????????.
???.7. ?????????? ????????? ????????? ??????? ? ??????????? ?? ?????????? ??????????? γ ?????.

К современным жаропрочным сплавам предъявляют следующие требования: максимально высокий предел длительной прочности и ползучести; стабильность структуры и свойств в процессе длительного воздействия температуры и напряжения; высокое сопротивление высокотемпературной коррозии в продуктах сгорания топлива; высокая термоусталостная и усталостная прочности; малая чувствительность к концентраторам напряжений; необходимый уровень технологических свойств, обеспечивающий серийное производство изделий из этих сплавов на современном оборудовании.

Высокожаропрочные сплавы обычно имеют в своем составе 12-13 легирующих элементов, которые выполняют определенные функции (Рис.6): легирование твердого раствора, образование упрочняющей интерметаллидной γ-фазы, карбидообразование, зернограничные эффекты и т.д.

На рис.7 показана удельная высокотемпературная прочность ряда зарубежных жаропрочных материалов для деталей газовых турбин, из которого следует, что для никелевых сплавов повышение рабочих температур и напряжений связывается с применением литейных сплавов с равноосной и направленной структурой. Повышение жаропрочности достигается усложнением химического состава сплава, увеличением содержания упрочняющей γ-фазы (рис.8).

Для работах лопаток энергетических газотурбинных установок разработаны деформируемые сплавы ХН65КМВЮБ и ХН60КВЮМБ. В зарубежной практике для данного назначения в основном используют авиационные материалы Юдимет 700, Нимоник 115, Инконель 100, Инконель 713С, MARM-241. Однако специфические условия службы стационарных газовых турбин (длительный срок службы, использование топлива с высоким содержанием серы и пятиокиси ванадия, значительный перепад температуры по длине лопатки) потребовали создания специальных материалов. Преимуществом новых сплавов по сравнению с существующими является сочетание высокой жаропрочности с хорошей деформационной способностью при рабочих температурах и коррозионной стойкостью в продуктах сгорания природного газа.

Сплав ХН65КМВЮБ по характеристикам длительной прочности на базе испытания 10000 ч при 700-800°С (а 800=220Н/мм²) превышает применяемый в настоящее время сплав ХН65ВМТЮ в среднем на 120 Н/мм². При равноценной жаропрочности с авиационным сплавом ХН55ВМТКЮ сплав ХН65МВТЮ имеет лучшую технологичность и существенно более высокую жаростойкость и коррозионную стойкость.

Дальнейшим совершенствованием системы легирования этого сплава является наиболее жаропрочный из известных деформируемых материалов сплав ХН60КВЮМБ. После ступенчатого режима термической обработки сплав содержат 48-50% упрочняющей γ-фазы, частицы которых образуют правильные ряды с тонкими прослойками твердого раствора между ними (рис.9). Следует отметить термическую стабильность структура сплава в течение длительного времени. Анализ кривых распределения частиц γ-фазы по размерам (рис.10) показывает, что при 700°С и старении до 3000 ч не происходит изменения дисперсности упрочняющей фазы. При 800°С через 3000 ч. кривая распределения несколько смещается вправо, не изменяя своей формы. Фазовый состав сплава практически не изменяется в процессе изотермических выдержек при 550-850°С длительности до 10 тыс. часов.

Высокая стабильность структуры и фазового состава сплава ХН6ОКВЮМБ предопределяет его существенную жаропрочность при 700-900°С. по которой он превышает наиболее жаропрочный деформируемый сплав ХН51ВМТКЖФР (рис.11): предал длительной прочности сплава ХН60КВЮМБ при 800сС за 10000 ч составляет 250 Н/мм2, при 700°С - 500 Н/мм2. Испытания сплава ХН60КВЮМБ в обмазке, имитирующей состав продуктов сгорания природного газа, показали, что при 850°С за 600 ч. убыль веса составляла 0,16-0,23 мг/cм² т.е. почти в 3 раза меньше, чем для сплава ХН51ВМТЮКФР.

Сложной проблемой при разработке жаропрочных сплавов является обеспечение высокой жаропрочности и сопротивления высокотемпературной солевой коррозии (ВСК).

Установлено, что сплавы с удовлетворительным сопротивлением высокотемпературной солевой коррозии содержат не менее 14% хрома. Однако увеличение концентрации хрома способствует образованию охрупчиваюшей ТПУ σ-фазы, что приводит к катастрофическому падению прочности и пластичности. Так, при возрастают хрома с 14 до 16 мас. % максимальное время до разрушения при 900°С снижается в 4-5 раз. Показано, что существенное влияние на эксплуатационные характеристики материала системы Ni-Cr-Co-W-Mo оказывает отношение титана к алюминию, причем увеличение этого отношения приводит к уменьшению скорости коррозии в среде 25% NaCl+75%Na2SO4, но снижению жаропрочности (рис.12). На основании большого количестве лабораторных и промышленных экспериментов разработан и освоен в производстве литейный сплав ХН58КВТЮМБ, который имеет аюо90и>= 245 Н/м при скорости ВСК 0,5 мг/см. ч. и не склонен к образованию ТПУ фаз в процессе длительной высокотемпературной службы.

Одним из путей повышения характеристик литейных жаропрочных является легирование материала гафнием, который приводит при определенной концентрации к повышению длительной прочности и пластичности сплава (рис.13). Положительное влияние гафния объясняется измельчением дендритной структуры сплава, изменением морфологии и состава карбидных фаз, повышением термической устойчивости γ-фазы и торможением диффузионных процессов по границам зерен. Следует также отметить, что введение гафния, вероятно, позволит уменьшить содержание хрома в сплаве без потери коррозионной стойкости, что будет способствовать дальнейшему повышению жаропрочности материала и устранению опасности образования

???-??? ??? ?????????? ??????????????????? ????????????.

Рис.10. Кривые распределения частиц γ-фазы по размерам в сплаве ХН60КВЮМБ в зависимости от температуры и длительности изотермических выдержек.

В последние годы возросла роль технологии производства в улучшении физико-механических свойств жаропрочных сплавов. Успехи, достигнутые в этом направлении, обусловлены как усовершенствованием традиционных способов выплавки, обработки давлением и термической обработки, так и использованием новых технологических процессов: направленная кристаллизация, горячее изостатическое прессование, термомеханическая обработка, поверхностное легирование и др.

Значительное развитие получило производство лопаток газотурбинных двигателей с направленной структурой. Основным преимуществом направленной кристаллизации жаропрочных сплавов является устранение границ зерен, перпендикулярных к оси главных напряжений. Такая морфология структуры обеспечивает значительное повышение характеристик длительной прочности и термической усталости материалов, приводит к увеличению коэффициента использования металла при изготовлении рабочих лопаток авиационных двигателей практически в двое. Следует отметить, что для направленной кристаллизации пригодны не все сплавы, потому что в ряде случаев между осями второго порядка, расположенными перпендикулярно оси главных напряжений выделяются охрупчивающие фазы; одна из причин этого явления, вероятно, заключается в существенной ликвидации вольфрама, титана и алюминия.

??? ????? ??????? ?????????? ??? ????????? ??????? ??????? ?? ??????????? ??????? ??????? ??????? ?????????????? ??????????? (???). ????????, ??? ??? ??? 1200?? ? ?????? 4 ? ???????? ? ????????? ???????????? ???????? ??????? ? 1.5-2 ???? ??? ?????????? ?? ??????? ?????? ??????????? ?????????????. ???? ?????? ??????????? ???????????? ??????????? ???????? ???????????????, ?????????? ????????? ? ???????????? ?????????? ?????????, ??????????? ??????????????? ?????????????? ? ?????????? ???????????? ????????.
???.11. ?????????? ????????? ?????? ??60?????.

Рис.12. Влияние отношения Ti/Al на жаропрочность и сопротивление высокотемпературной газовой коррозии никелевого сплава.

???.13; ??????? ?????? ?? ???????? ????????? ?????????? ?????? 1 - 900? ?.245 ?/??2; 2 - 900??, 294 ?/??2

Рис.14 Длительная прочность сплава ХН65ВБМЮ.

???.15. ??????? ???????????????? ?? ????????????? ????????? ???????.

Известно, что микролегирование жаропрочных сплавов на никелевой основе является эффективным средством повышения их эксплуатационных и технологических характеристик. На рис.15 показан этот эффект для ряда среднелегированных никелевых сплавов. Положительное влияние малых добавок неодима, гафния и церия реализовано при разработке сплава ХН61МВТБЮ, наиболее высокожаропрочного из свариваемых отечественных материалов. Этот сплав, упрочненный фазой Ni3(Ti, Al, Nb), обладает хорошей технологичностью и высоким комплексом свойств (рис.16), по которому он значительно превосходит широко применяющийся сплав ХН67МВТЮ. Время до разрушения сплава ХН61МВТЮБ при 800°С и напряжении 450 11/мм" составляет не менее 20 ч; он практически не охрупчивается при высокотемпературных нагревах, имитирующих режимы пайки.

С целью повышения свойств свариваемых сплавов типа ХН67МВТЮ изучено влияние легирования танталом и рением на кратковременные и длительные свойства материала. Установлено, что введение тантала резко повышает предел прочности при комнатной температуре, но с повышением температуры эффект снижается (рис.17); пластичность при этом уменьшается, остается на достаточно высоком уровне. При 700°С время до разрушения сплава монотонно возрастает при увеличении концентрации тантала, а при 800°С зависимость носит экстремальный характер - снижение жаропрочности при концентрации тантала более 3 мае. % связано с образованием пластичной ц-фазы. Рений влияет на свойства сплава аналогично танталу, но без снижения длительной прочности в изученном интервале концентраций 0,5-2,5 мае. %. Механизмы воздействия этих элементов отличаются: рений легирует твёрдый раствор, а тантал изменяет состав и морфологию карбидных фаз, легирует твердый раствор, но главным образом (-50-60%), входит в состав у-фазы" повышая ее термическую стабильность.

?????????????? ????????????? ? ????????? ???????????????? ????????????? ??????? ?? ????????? ??????????? ??????? ???????? ???????? ????????? ?????? ???????????, ??????? ???????????? ????????? ??????????? ????????????? ?????????? ?????????? ? ??? ??????.
???.16. ???????????? ???????? ???????????? ?????? ????????.

Рис.17. Влияние тантала на механические свойства и жаропрочность сплава типа ХН67МВТЮ.

ЖАРОПРОЧНЫЕ ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ, ИХ СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ

Рабочие температуры различных групп жаропрочных сплавов определяют их температурами солидуса, а последние - температурами плавления основ, т.е. растворителей.

Магний (650° С), алюминий (660° С), титан (1670°С), медь (1084°С), железо (1539° С), никель (1455° С), кобальт (1492° С), ванадий (1900°С) хром (1875°С), ниобий (2468°С), молибден (2625° С), тантал (3000° С), вольфрам (3380° С).

Как видно, из этой последовательности "выпадают" только титановые жаропрочные сплавы и жаропрочные стали, что объясняется полиморфизмом и другими свойствами их растворителей.

МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Основой жаропрочных магниевых сплавов является очень легкий металл магний, имеющий г. п. у. решетку, плотность =1,74 г/см, модуль нормальной упругости

Е=45700 Мн/м² (4570 кГ/мм) и температуру плавления г 650°С.