2. Легирование сплавов на никелевой основе | Металлолом

Современные жаропрочные сплавы на никелевой основе имеют очень сложный состав: в них входят до 7—9 основ­ных легирующих элементов и большое количество приме­сей, содержание их следует контролировать в сплаве.

Никель образует твердые растворы со многими элемен – тами, что обусловливает значительные возможности дости­жения высокой жаропрочности сплавов на его основе. Тем­пературная зависимость растворимости некоторых элемен­тов приведена на рис. 192. При 1000°С кобальт, железо, марганец и медь образуют неограниченные твердые раст­воры, а такие тугоплавкие металлы, как хром, вольфрам, молибден, тантал, ниобий, ванадий, — ограниченные твер­дые растворы с различными об­ластями гомогенности. Раствори­мость при 1000°С таких элемен­тов, как титан и алюминий, со­ставляет соответственно 10 и 7 %.

Важно отметить, что раство­римость легирующих элементов в многокомпонентных сплавах на основе никеля может сущест­венно различаться в сторону уменьшения от значений, полу­ченных, при изучении бинарных сплавов никель — легирующий элемент.

Многие из легирующих эле­ментов, растворимые в никеле – или нихроме, являются эффектив­ными упрочнителями и повышают сопротивление ползуче­сти сплавов на основе никеля (см. рис. 180).

Несмотря на сложность составов жаропрочных никеле­вых сплавов, можно сформулировать следующие основные принципы, используемые при их создании:

1. Жаропрочные сплавы представляют собой основной (матричный) у-твердый раствор на хромоникелевой осно­ве, легированный кобальтом и тугоплавкими элементами- упрочнителями (Mo, W, Nb), причем наиболее эффективно» влияние оказывает на жаропрочность именно комплексное введение легирующих элементов. Содержание этих леги­рующих элементов в сплаве зависит от его назначения Я экономической целесообразности.

2. В сплавах обязательно присутствуют титан, ниобий к алюминий (суммарно до 8—10 %), которые в основном обе­спечивают образование главной упрочняющей фазы этих сплавов «у’-фазы.

10 20 30 Ю 50 Элемент,% (по массе)

Рис. 192. Температурная зависи­мость растворимости легирую­щих элементов в никеле (М. В, Приданцев)

3. Присутствующие в сплавах хром и алюминий обеспе­чивают сопротивление окислению и газовой коррозии

Вследствие образования защитных пленок, богатых окисла­ми Cr2O3 и Al2O3.

4. Углерод содержится в сплавах в небольших количест­вах (обычно 0,08—0,12 %), образуя карбиды и карбонитри – ды. Существенное влияние оказывает также бор, который вводится в сплавы в количестве 0,005—0,015 % В и образует бориды типа MeB2. Кинетика выделения и морфология кар­бидных и боридных фаз при кристаллизации, термообра­ботке и в процессе эксплуатации также в значительной сте­пени определяет жаропрочность сплавов на никелевой ос­нове.

5. Важное значение имеют в никелевых сплавах легко­плавкие примеси (Pb, Cd, Ag, Bi, Sb, S), содержание ко­торых следует ограничивать, так как они снижают их жа­ропрочные и технологические свойства. Уменьшение коли­чества примесей возможно благодаря применению чистых шихтовых материалов, введению р. з. м. и обработке рас­плавов специальными шлаками, применением различных методов специальной металлургии (ЭШП, ЭЛП, ВДУ и ДР-)-

Таким образом, жаропрочность, жаростойкость и другие характеристики сплавов на никелевой основе связаны с оп­тимизацией их состава по соотношению легирующих эле­ментов, входящих в матричный у-твердый раствор и упроч­няющие интерметаллидные, карбидные и боридные фазы, а также с уровнем содержания вредных легкоплавких при­месей.

Выбор состава сплава следует проводить с учетом его рабочей температуры, напряжений, агрессивности среды, ресурса и режима работы.

В сплавы, предназначенные для работы при сравнитель­но невысоких температурах (750—850°С) длительное вре­мя, вводят повышенное количество хрома (до 16—18%)», молибдена и вольфрама (до 10—12% суммарно), титана, ниобия и алюминия (8—10% суммарно). Это дает возмож­ность получить большое количество упрочняющей у’-фазы. высокую легированность и жаропрочность матрицы.

Для высокотемпературной (975—1050°С) работы важно положение температуры солидуса сплава. Поэтому в спла­вах ограничивают содержание хрома (6—10%), молибде­на (3—4%) и титана. Введение дополнительно кобальта и вольфрама несколько повышает температуру солидуса, что полезно.

При работе в средах повышенной агрессивности (напри­мер, содержащих соли, соединения ванадия и др.) важней­шим элементом, обеспечивающим коррозионную стойкость, считается хром.

Оценку роли различных элементов на сопротивление го­рячей коррозии можно дать ориентировочно, подсчитав эк­вивалент хрома по формуле Рентца:

Многие исследователи указывают на положительное влияние р. з. м. на жаростойкость никелевых сплавов, свя-

Ho

Рис. 193. Фазовые диаграммы, иллюстрирующие области существования v-граие – цеятрированиого твердого раствора в тройных Ni—Co—Cr (a), Ni-Al-Ti (б) и четверных Ni—Co—Cr—Mo (в), Ni—Co—Cr—W (г) сплавах. Никелевый угол в четверных системах обращен к читателю (Ч. Симе)

Зывая это влияние с затруднением образования оксисуль- фидов. Иттрий и гафний улучшают адгезию окалины к ме­таллу, их микродобавки также применяют в современных сплавах.

Никелевые жаропрочные сплавы являются сложными многокомпонентными и многофазными системами, в кото­рых под действием высоких температур и напряжений не­прерывно протекают фазовые и структурные превращения, т. е. эти сплавы являются с физико-химических позиций динамическими системами. Рассмотрим более подробно свойства фаз, образующих никелевые жаропрочные сплавы.

У-фаза сплавов на никелевой основе представляет собой г. ц. к. твердый раствор таких элементов, как хром, молиб­ден, вольфрам (рис. 193). К области аустенита примыкают различные интерметаллические соединения, которые часто называют топологически плотноупакованными фазами (т. п. у.-фазами).

Выделение этих фаз из никелевого аустенита резко ох- рупчивает сплавы, снижает их жаропрочность и стабиль­ность. /

Идентификация интерметаллических соединений, выделяющихся из аустенита жаропрочных никелевых сплавов, показала, что это о-фазы, фазы Лавеса, р-фазы и др. Они являются промежуточными фазами в многокомпонентных системах и их можно считать своеобразными эле­ктронными соединениями, так как в основном их структура определяет­ся электронной концентрацией, т. е. отношением е/а. В этих фазах од­ни элементы проявляют электроположительные свойства (например, хром, молибден, вольфрам), а другие — электроотрицательные (никель, кобальт, железо); типичный состав а-фаз можно представить так: (Cr, Mo)«(Ni, Со)

Кинетика выделения cr-фаз зависит от температуры изотермической выдержки и может быть представлена в виде С-образной кривой (см. рис. 34). Очень сильно склонность сплава к выделению т. п. у.-фаз за­висит от их состава, от соотношения различных легирующих элемен­тов в сплаве.

Как указывалось выше, соединения типа АзВ с г. ц. к. решеткой, которые называются у’-фазами, обеспечивают основное упрочнение сплавов с высоким содержанием ни­келя. На схематическом изотермическом разрезе тройной системы никеля и алюминия с другими элементами (см. рис. 35) показана степень возможного замещения и учас­тия различных легирующих элементов в образовании у’-фа – зы. Кобальт замещает никель, образуя горизонтальную об­ласть; титан, ниобий, ванадий замещают в основном пози­ции алюминия; молибден, железо и хром, по-видимому, могут замещать как атомы алюминия, так и никеля.

У’-фаза представляет собой когерентное су-матрицей ин­терметаллическое соединение, имеющее сверхструктуру ти­па Cu3Au с дальним порядком почти до температуры плав­ления (1385°С для Ni3Al). В структуре этой фазы сущест­вуют три типа дефектов упаковки: дефекты сверхструкту­ры, дефекты антифазных границ и сложные дефекты. Глав­ными причинами высокого упрочнения сплавов при обра­зовании у’-фазы считаются когерентная деформация и наличие упорядочения частиц.

Важно отметить, что с повышением температуры до 900°С прочность у’-фазы увеличивается (см. рис. 36). Эти фазы образуются только в сплавах, богатых никелем, при­чем их выделение происходит при малом изменении раз­мерного фактора — несоответствие параметров решеток у – и у’-фаз не превышает 1%. При этом максимальное зна­чение долговечности наблюдается при несоответствии ре­шеток у – и у’-фаз в пределах 0,02 нм (рис. 194).

Это создает предпосылки для гомогенного зарождения выделений с низкой поверхностной энергией. Эти фазы об­ладают очень высокой стабиль­ностью при повышенных темпе­ратурах в течение длительного времени. Когерентность у – и у’- фаз устанавливается путем те­трагональных искажений кри­сталлических решеток. Форма частиц у’-фазы зависит от ве­личины несоответствия реше­ток: частицы имеют сферичес­кую форму при несоответствии решеток 0—0,2 %, кубическую при несоответствии 0,5—1 % и пластинчатую больше 1,25% (рис. 195).

Упрочнение жаропрочных сплавов при выделении у’-фа – зы объясняется образованием антифазных границ, которые препятствуют прохождению дислокаций. Считается также, что ее сравнительно высокая пластичность препятствует охрупчиванию сплавов.

Увеличение жаропрочности сплавов достигается благо­даря увеличению объемной доли у’-фазы в структуре и оп­тимизации соотношения AhTi в сплавах. Так, жаропроч­ность никелевых сплавов при 800°С оюо^250МПа (Al:Ti5 (W, Сг)2,5С и др. Их состав может меняться от Afe3C до Alel3C.

Карбидные фазы типа Afe23Ce и Afe6C по границам зерен образуют­ся в окружении пластичной у’-Фазы, что препятствует охрупчиванию сплавов и повышает сопротивление зериограничному проскальзыванию.

Бориды — твердые тугоплавкие частицы типа Me3B2 (например, (Моо, з1Т1о,1зСг0,44)зВ2), наблюдаются только по границам зерен и могут расти от границы в глубь зер­на. Располагаясь в местах сочленения решеток разной ори­ентации, увеличивают сопротивление деформации ползу­чести.

В последнее время предложены новые литейные сплавы с низким содержанием углерода (0,002 % С) и повышен­ным (до 0,1—0,2 %) содержанием бора, так называемые сплавы ВС, которые имеют хорошую жидкотекучесть и низкий уровень пористости. Эти сплавы предназначаются для работы при температурах 800—950 °С. В их структуре почти отсутствуют карбиды типа MeC, но имеются первич­ные бориды, которые более стабильны при высоких тем­пературах и не способствуют образованию охрупчивающих т. п. у.-фаз.

3. Промышленные жаропрочные сплавы на никелевой основе

Применяемые никелевые сплавы подразделяют на дефор­мируемые и литые. Принципы легирования и упрочнения этих сплавов одинаковы, но при создании деформируемых сплавов необходимо обеспечить сплавам достаточную тех­нологическую пластичность при обработке давлением, в том числе при температурах 700—800 °С, а литые сплавы должны иметь удовлетворительные литейные свойства (жидкотекучесть, пористость). В связи с этим в литейных сплавах допускается более высокое содержание углерода, бора и требуется более строгий контроль по количеству легкоплавких примесей.

329

С ростом температур эксплуатации значение межзерен – ного разрушения жаропрочных сплавов возрастает. При-

21—979 менение сплавов, полученных направленной кристаллиза­цией (HK), позволяет резко уменьшить роли границ зерен в разрушении, так как после направленной кристаллизации границы зерен располагаются в основном параллельно приложенному усилию, а границы, перпендикулярные на­правлению деформации, отсутствуют. Еще более высокие характеристики жаропрочности показывают сплавы, име­ющие монокристаллическую структуру, т. е. когда деталь выращивается из одного цент­ра кристаллизации (затравки) и не имеет болыпеугловых гра­ниц зерен. Следует понимать, что монокристаллическая структура сложнолегирован – ных жаропрочных сплавов не соответствует представлениям о монокристаллах чистых ме­таллов, имеющих одну кри­сталлическую решетку. В жа­ропрочных сплавах, закри­сталлизованных из одного центра, имеются различ­ные фазы: у-фаза, карбиды, у’-фаза и, следовательно, межфазные границы. Однако в них отсутствуют границы зерен, что сильно повышает жаропрочность (рис. 196).

Получение сплавов направленной кристаллизации или с монокристаллической структурой заключается в прове­дении контролируемой кристаллизации из жидкого состо­яния, когда поверхность раздела между расплавом и твер­дой фазой поддерживается плоской и перпендикулярной к желательному направлению кристаллизации. Это воз­можно получить, кодаг по всему сечению детали тепловой поток распространяется параллельно направлению роста.

Таким образом, в настоящее время применяют жаро­прочные сплавы, полученные равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией и с монокристаллической структурой.

Отметим, что последние два технологических процесса значительно повышают стоимость деталей; их применяют только в особо ответственных случаях. Состав и свойства деформируемых сплавов на никелевой основе регламен­тирует ГОСТ 5632—72.

Рис. 196. Кривые ползучести при 980 0C и С=206 МПа сплава на ни­келевой основе после обычной (/), направленной (2) и монокристаль­ной (3) технологии кристаллизации

Scroll to Top