Сложнолегированные жаропрочные сплавы

Хромоникелевые, хромокобальтовые и сложнолегированные Fe-Cr-Ni-сплавы составляют основной класс жаропрочных материалов, применяемых в конструкциях авиационных, морских и наземных энергетических системах.

Принципиально важными особенностями никелевых сплавов специального назначения являются высокая растворимость легирующих элементов в никелевой матрице и сохранение ГЦК-решетки до Т = 0,8Гпл в течение длительного времени (до 105 ч). Значительный вклад в твердорастворное упрочнение матричной γ-фазы вносят Со, Fe, Cr, Mo, W, V, Ti и Al. Заметную роль в упрочнение твердого раствора играют Al, W, Nb, Мо и Cr, более слабое влияние оказывают Fe, Ti, Cu и V. При повышении температуры, при которой эксплуатируется никелевый сплав, упрочняющие фазы могут растворяться и эффект упрочнения постоянно снижается, для многих сплавов отмечается снижение плотности, особенно ХН77ТЮ и ХН62БМКТЮ.

Легирующие элементы в никелевых сплавах в зависимости от их вклада в упрочнение и коррозионную стойкость можно разделить на четыре группы.

Влияние температуры нагрева под закалку на плотность никелевых сплавов
Влияние температуры нагрева под закалку на плотность d никелевых сплавов, измеренную при нормальной температуре

Аl и Cr повышают коррозионную стойкость, а Со изменяет характер распределения карбидов, образуя только карбиды Ме6С. Малые добавки поверхностно-активных элементов вследствие большого различия размеров их атомов матрицы сегрегируют на границах зерен, заполняя вакансии и снижая зернограничную диффузию.

Влияние основных легирующих элементов на упрочнение никелевых сплавов

Элементы, входящие в состав матрицы Со, Fe, Cr, Mo, W, V, Ti, Al, Cu Твердорастворное упрочнение
Элементы, входящие в состав у γ’-фазы Al, Ti, Nb, Та Дисперсное упрочнение
Карбидообразующие элементы Cr, Mo, W, V, Nb, Та, Ti, Hf Изменение границ зерен, уменьшение проскальзывания по ним
Поверхностноактивные элементы Zr, В Увеличение вязкости разрушения и сопротивление ползучести и износу

Повышение работоспособности изделий из высоколегированных никелевых жаропрочных сплавов в большой степени зависит от их структурного состояния: от величины зерен, содержания упрочняющей γ’-фазы, количества и морфологии карбидов и других составляющих. Составы упрочняющих фаз хромоникелевых сплавов приведены в таблице, а механические свойства — на рисунке.

Упрочняющие фазы жаропрочных сплавов

Сплав Количество основной фазы — упрочните ля, % Остальные избыточные фазы tc  tл tпл
°C
Х20Н80 Ti(C, N); Me23C6; Me23(C,N)6 1375 1404 1290
ХН77ТЮ 10 Ni3(Ti, Al) Ti(C, N); Me7C3; Me7(C, N)3 1343 1379 1250
ХН55ВМКЮ 45 Ni3Al AIN; M6C; Me23C6; бориды 1354 1389 1270
ХН62БМКТЮ 35 Ni3(Ti, Al, Nb) Me(C, N); M6C; Me23C6 1279 1350 1200

Высокое сопротивление окислению в средах, содержащих С02 и Н2, при 700 — 1000 °С имеют сложнолегированные сплавы на основе Ni, Cr, W, Со, Мо и Al, разработанные в фирме «Хайнес». Например, сплав Хай- нес 230 (53,7 % Ni; 22 % Cr; 14 % W; 5 % Со; 2 % Мо; 0,3 % Al), упрочненный оксидами иттрия, имеет длительную прочность a1000 = 80,5 МПа при 870 °С. Высокие характеристики длительной прочности в разных средах имеют дисперсионно-упрочненные оксидами иттрия сплавы ХН60В15К9Т и ХН60К10В8ЮЗМТ.

Зависимость пластических свойств, чувствительности к надрезу при статическом растяжении
Зависимость пластических свойств (Ψ, δ), чувствительности к надрезу при статическом растяжении K650σ и ползучести K650σ100 от размра γ’-фазы

Наряду с Cr-Ni-сплавами в конструкциях, соприкасающихся с агрессивными средами, применяют литые сплавы на основе кобальта, содержащие, % (мае.): 21 — 33 Cr; 8 — 16 Ni; до 15 W и 0,2 — 1,2 (Ti + Nb + Zr). В последние годы в проспектах многих фирм (Triplex Lloyd, Haynes International, Westinghayse Canada Hamilton, Bohler, PM-Hochtemperatur — Metall GmbH) приведена информация о составах, структуре и механических свойствах жаропрочных и жаростойких сталей, кобальтовых и никелевых сплавов и заготовок из них (дисков, лопаток) в зависимости от технологии выплавки и термической обработки. В связи с этим представляет интерес сравнение длительной прочности разных сплавов фирмы «Хайнес».

Высокую длительную прочность имеют также никелевые сплавы: удимет-700 с 18 % Со; МагМ-247, содержащий 10 % Со и 10 % W; нимоник-115 с 15 % Со и нимоник-90, содержащий 18 % Со. Однако кобальт — металл дефицитный и сейчас наблюдается тенденция к снижению его содержания в сплавах.

В США в последние годы появилось много жаропрочных сплавов с танталом от 1,5 до 10 %. Тантал благоприятно воздействует на свойства жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов: повышает жаропрочные свойства и жаростойкость.

Максимальную жаропрочность имеют сплавы с суммарным содержанием титана и алюминия 8 — 10 %. Они упрочняются за счет выделения интерметаллида Ni3(Ti, Al). Дальнейшее повышение титана и алюминия, по-видимому, не повышает жаропрочность. Сплавы, легированные только одним алюминием и упрочняющиеся при выделении у ‘-фазы типа Ni3Al, обладают также высокой жаропрочностью.

Оптимальная жаропрочность сплавов на никелевой основе достигается при суммарном содержании вольфрама и молибдена 6 — 9 %. При повышении суммарного содержания вольфрама и молибдена до 15 % жаропрочность несколько понижается. С увеличением отношения W / Мо жаропрочные свойства повышаются.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе целесообразно легировать вольфрамом и молибденом в сумме до 6 — 9 %, при этом наиболее благоприятно отношение W / Мо > 2. Многие сплавы содержат вольфрама и молибдена больше, чем это необходимо (например, сплавы ХН55ВМТКЮ, ХНБ2МВКЮ, ХН56ВМТЮ, MAR-M-200, MAR-M-246). Это следует учитывать в дальнейших разработках жаропрочных и других сплавов. Большое значение имеет суммарное легирование и суммарное содержание элементов, образующих упрочняющие фазы (Ti, V, Al, Nb и Та). В сплаве ХН55ВМТК содержится 4,5 — 6,5 % W; 4,6 % Мо; ОД — 0,8 % V; 1,4 — 2 % Ti и 3,6 — 4,5 % Al.

Длительная прочность жаропрочных сплавов

Материал σ1000, МПа, при температурах, °С
760 870 980
Хайнес 188 182 80,5 30,1
Хайнес 230 140 66,5 21
Хайнес 214 157 58,8 11,9
Хайнес 556 122 52,5 21
Хайнес 625 161 52,5
Хастеллой X 105 43,4 16,8
Хастеллой S 112 37 13,3
Сплав 800Н 73,5 32,2 14
Сплав 253МА 64,5 30,8 13,3
Сплав 601 65 30 14,7
Сплав RA330 66 26 10,5
Сплав 600 40,5 24,5 12,6
Коррозионно-стойкие стали:

316

61,5 23,8 9,1
304 51,8 21 8,4
310 43,3 20,3 6,3

Сравнение износостойкости литых деталей в экстремальных условиях и влияния различных металлургических процессов производства износостойких сплавов на их эксплуатационные свойства показало, что износ литых деталей — сложный физико-химический процесс, зависящий от многих факторов, важнейшими из которых являются: условия работы, конструкция узла трения, состояние поверхности трущихся пар деталей, скорость перемещения деталей и нагрузка при трении, вид жидкого или газообразного промежуточного слоя между контактируемыми деталями и физико-механические свойства материалов деталей. Важнейшими факторами, определяющими сопротивляемость сплавов изнашиванию являются: структурное состояние; дисперсность фаз и их взаимное расположение; количественное соотношение и характер связи отдельных составляющих структуры в отливках.