Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Для многих целей применения, как, например, в технике реакторов, в строительстве химических установок, парогенераторов, двигателей внутреннего сгорания, в частности газовых турбин, требуются материалы, которые при высоких температурах обладают достаточной прочностью для статических и динамических нагрузок. Одновременно при этом часто требуется еще высокое сопротивление окислению.
При таких условиях область применения феррито-перлитных сталей ограничивается примерно диапазоном от 500 до 550 °С. Хромистые стали с долей хрома 12 % и более употребимы до диапазона 650 °C. Более высокие температуры, до примерно 750 °С, требуют применения жаропрочных аустенитных сталей, к которым добавляются для улучшения термостойкости В, Mo, V и Co. Предпосылку для более длительной прочности дает г.ц.к.-решетка этих аустенитов.
В зависимости от механической нагрузки благодаря металлическим высокотемпературным легирующим элементам становятся достижимыми температурные диапазоны до 1100 °C.
Наконец, тугоплавкие металлы, такие как W (3410 °C), Ta (3000 °C), Mo (2630 °C), Nb (2470 °C) и Cr (1870 °C), дают принципиальную возможность работать с еще более высокими температурами при помощи соответствующего легирования. Ho из-за ряда нерешенных проблем, таких, как, например, стойкость к окислению и отчасти также вязкость, использование таких металлов как основы легирования для высокожаропрочных конструкционных материалов ограничено очень немногими особыми случаями (рис. 9.4.26).
Среди высокожаропрочных легирований для конструкционных целей доминируют так называемые суперлегирования. Под ними понимаются многокомпонентные системы на основе Fe, Ni или Co с относительно высоким содержанием Cr, а также с незначительным количеством тугоплавких металлов, например W и Mo. Для улучшения выделения к этим сплавам добавляются Al и Ti.
Структура таких высокожаропрочных сплавов может быть продемонстрирована на сплавах на никелевой основе. Матрица этих материалов состоит из γ-твердых растворов базового металла, в данном случае никеля, который, кроме того, может еще содержать элементы Fe, Cr, Co, Mo и W в твердом растворе. Алюминий выделяется в базисной решетке никеля как у -фаза при растворимости, уменьшающейся с температурой, в форме Ni3Al (рис. 9.4.27). Прочность, в частности при высоких нагрузочных температурах, обусловливается как улучшением твердого раствора, так и когерентным мелкодисперсным выделением γ'-фазы. Решающим для морфологии и распределения γ-фазы является наряду с легирующими составными частями процесс изготовления, в частности горячая обработка и термообработка материала.
Присадка легирующего третьего элемента изменяет (γ+γ')-пространство (см. рис. 9.4.27) и оказывает действие соответственно на склонность к выделению и кинетику выделения. Таким образом, благодаря уменьшению растворимости Al и Ti можно способствовать образованию γ-фазы. Действие, свособствующее стабильности в этом смысле, на γ-выделение оказывает Co. Выделению γ' -фазы также способствуют элементы, которые могут в соединении Ni3Al заменить Al, как это может происходить с помощью Ti и Nb.
Присадка легирующего элемента Cr действует положительно на твердый раствор и повышает стойкость против коррозии и окисления. Также улучшают твердый раствор Mo и W. При более высоком содержании Cr γ'-твердый раствор распадается на богатый хромом a-твердый раствор (о.ц.к.) и богатый никелем -твердый раствор (г.ц.к.). Эта реакция вытекает из изотермического разреза при температуре 750 °C в тройной системе Ni-Cr-Al (рис. 9.4.28, а).
В других термических сечениях через трехкомпонентные системы Ni-Ti-Al и Ni-Nb-Al обнаруживается, что слишком высокое содержание элементов, идущих в γ'-фазу, благоприятствует образованию гексагональной η-фазы равновесия (Ni3Ti) или орторомбической δ-фазы (Ni3Nb). Распад твердого раствора и образование игольчатых фаз равновесия отрицательно действуют на свойства жаропрочности и ограничивают этим самым добавку таких элементов.
При длительных нагрузках в температурном диапазоне от 650 до 950 °C известно также образование σ-фазы в высокожаропрочных сплавах на основе никеля, которое ведет к уменьшению вязкости при комнатной температуре. Техническая область применения деталей из высокожаропрочных сплавов, в частности для лопастей двигателей и камер сгорания, может быть расширена путем соответствующего нанесения слоя для защиты от высокотемпературной коррозии и для теплоизоляции.
Тепловой поток через охлаждаемые стенки, например, лопастей, значительно уменьшается керамическими поверхностными пленками толщиной в несколько сот микрон на горячей стороне. При такой же толщине охлаждающих пленок температуры горячих газов могут повышаться от 100 до 200 °C.
Для этой цели в камерах сгорания авиационных двигателей используется ZrO2, который стабилизирует MgO. Для направляющих и рабочих лопастей турбин или также для сильно коррозионно нагружаемых головок клапанов крупных дизельных двигателей применяются слои ZrO2, которые стабилизируются с помощью Y2O3 полностью или частично. Связь таких слоев с основным материалом достигается через слои-посредники из систем Ni—Cr, Ni-Al или MCrAlY. Различия в коэффициентах теплового расширения слоев и основы должны быть выравнены путем целевого регулирования структуры (пористость, образование микротрещин, сегментирование).
Проблематика таких слоев состоит, однако, не только в различных коэффициентах теплового расширения между основным материалом и наслоением, но и также в образовании очень комплексных и еще не полностью исследованных многослойных сплавов в области зон диффузии.