» » Общие сведения о жаропрочных никелевых сплавах
15.01.2016

Важнейшей задачей современного двигателестроения является повышение параметров газотурбинных двигателей, и в первую очередь увеличение температуры и давления газа в турбинах, что определяет перспективу существенного увеличения КПД силовых установок и снижения расхода топлива.
Развитие жаропрочных никелевых сплавов представляет собой яркий пример возможностей современного металловедения. Эти сплавы используются при создании газовых турбин, широко применяемых в авиации, судостроении, транспорте и энергетике.
Условия работы газотурбинных двигателей определяют наиболее жесткие требования по жаропрочности и жаростойкости, которым удовлетворяют обычно только сложнолегированные никелевые сплавы. Рабочие температуры жаропрочных никелевых сплавов составляют 650—1100 °С: в этом температурном интервале они сохраняют высокие служебные свойства.
Природа высокой прочности, жаропрочности сложнолегированных сплавов на никелевой основе определяется комплексным действием механизмов твердорастворного, дисперсионного, в том числе карбидного, упрочнения, а также термостабильностью упрочняющих фаз и матрицы.
Высокую стабильность сопротивления растяжению, ползучести, длительной прочности и термомеханической усталости связывают с плотноупакованной гранецентрированной кубической атомно-кристаллической структурой матрицы, для которой рассматриваемые свойства длительно сохраняются вплоть до температур значительно более высоких, чем соответствующие гомологические (отнесенные к температурам плавления) температуры сплавов на основе ОЦК-решетки.
При этом определяющий вклад вносят такие характеристики ГЦК-решетки сплавов на основе никеля, как низкий коэффициент диффузии легирующих элементов, высокий модуль упругости, низкий коэффициент термического расширения и высокая теплопроводность.
Обилие систем скольжения в ГЦК-решетке способствует высокой технологической пластичности. Наиболее близкий по уровню свойств класс материалов — жаропрочные коррозионно-стойкие аустенитные стали — имеют также матрицу с ГЦК-решеткой, представляющую собой комплексно легированный ГЦК-твердый раствор (аустеиит).
Природа высокой коррозионной стойкости, жаростойкости определяется легированием, обеспечивающим образование на поверхности устойчивых защитных (пассивирующих) слоев.
Современные жаропрочные сплавы на основе никеля содержат до 15 основных легирующих элементов в строго контролируемых количествах, кроме того, до 10 элементов в виде микродобавок — В, Zr, Mg и др., а также примеси — Мn, Si, Р, S, O2, и др. Легирующие элементы в жаропрочных никелевых сплавах в зависимости от их влияния на фазовый состав, механические свойства и коррозионную стойкость можно разделить на несколько групп.
В общем случае сложнолегированные жаропрочные никелевые сплавы содержат следующие фазы:
1. γ-фаза — матрица сплава, представляющая собой аустенитную фазу на никелевой основе с ГЦК-решеткой, легированную элементами, образующими твердые растворы (γ-стабилизирующие элементы — Со, Сr, Мо, W, Fе, V). Размер γ-зерна обычно находится в пределах 20—200 мкм.
2. γ-фаза — интерметаллидная (промежуточная) фаза с ГЦК-решеткой, на основе интерметаллида Ni3Аl, в которой легирующие элементы Тi, Nb, Та, W, НГ (γ-образующие элементы) могут в значительной степени замещать Ni или Аl. γ-фаза присутствует и виде частиц различной морфологии и размера, располагающихся в основном в теле зерна в виде когерентных выделений избыточной фазы, а также по границам зерен или в (γ+γ)-эвтектике.
3. Карбидные и боридные (карбоборидные) фазы, формирующиеся с участием карбидо- и боридообразующих элементов (Сr, Мо, Nb, Ti, W, V, Нf, Та).
4. В сложнолегированных никелевых сплавах в процессе термической обработки или эксплуатации могут образовываться фазы пластинчатой формы с высокой твердостью и сложной топологически плотноупакованной решеткой, отрицательно влияющие на механические свойства (ТПУ-фаэы).
Для обеспечения высокой прочности никелевых сплавов чрезвычайно важна значительная растворимость легирующих элементов в аустенитной матрице, что обеспечивает выделение в процессе старения интерметаллидной γ-фазы. Упрочнение в общем случае достигается также легированием твердого раствора, выделением карбидных фаз и образованием сегрегаций, упрочняющих границы зерен, а также созданием структуры направленной кристаллизации или монокристалл и ческой структуры.
Существуют два направления развития литейных и деформируемых жаропрочных никелевых сплавов: совершенствование химического состава и технологии изготовления полуфабрикатов, которое осуществляется параллельно.
Повышение механических свойств жаропрочных никелевых сплавов, достигаемое усложнением их химического состава, неизбежно сопровождается снижением их технологической пластичности и вследствие этого ограничивает использование традиционной технологии деформации слитка — ковки и объемной штамповки.
Главной трудностью при изготовлении полуфабрикатов из таких сплавов является высокая степень гетерогенности структуры: микрохимическая и структурная неоднородность (наличие неравновесных эвтектических фаз), сопровождающаяся пористостью, а также пограничными трещинами, образующимися при кристаллизации вследствие фазовых и термических напряжений.
Существуют следующие основные способы регулирования и совершенствования структуры, качества слитка и тем самым повышения его технологических свойств, а следовательно, к эксплуатационных характеристик готового полуфабриката:
— плавка в вакууме;
— гомогенизирующий отжиг литых полуфабрикатов (особенно в условиях равномерного всестороннего сжатия);
— правильный выбор технологии и термомеханических параметров деформации слитка;
— применение гранульной металлургии с использованием быстрозакаленных микрослитков гранул.
Обычная технология получения высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов включает вакуумную плавку и отливку заготовок с последующими операциями горячей обработки и окончательной механической обработки для получения изделий требуемой формы. Ограничения, связанные с ликвацией при литье крупных слитков сплавов с повышенным количеством γ-фазы (> 40 %) и их низкой технологической пластичностью, обусловливают низкий коэффициент использования металла, который может доходить до 15%, что делает традиционную технологию непроизводительной и дорогостоящей.