Лабораторная работа № 6

Термическая обработка жаропрочных сплавов на никелевой основе

6.1. Цель работы

Данная работа предполагает:

• знакомство с жаропрочными аустенитными сталями и сплавами на никелевой основе;

• контролем качества термически обработанных изделий путём замера твёрдости. (В лабораторных работах проводилась термическая обработка и замер твёрдости после термической обработки образцов сталей, имеющих превращения при критических точках; в данной работе – замер твёрдости и анализ микроструктуры образцов сплавов на никелевой основе – аустенитных сплавов – после высокотемпературной одинарной и двойной закалок и последующего старения изделий, так называемая химико-термическая обработка);

• проведение анализа микроструктуры термически обработанных образцов

а) – после закалки;

– после закалки и старения;

б) – после одинарной закалки;

– после двойной закалки;

– после двойной закалки и старения.

6.2. Основные положения

6.2.1 Характеристика жаропрочных аустенитных сталей

Для многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и др., работающих при высоких температурах применяют жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.

Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями и сплавами понимают, стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 ^оС и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Таким образом, жаростойкость характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.

Установлено, что при высоких температурах металл ведёт себя во многих отношениях иначе, чем при нормальных, или даже 300…350 ^оС. При высоких температурах происходит активно процесс окисления. Начальная стадия окисления стали это чисто химический процесс. Но дальнейшее течение окисления представляет собой уже сложный процесс, заключающийся не только в химическом соединении кислорода и металла, но и в диффузии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной окисной плёнке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения окисной плёнки.

Железо с кислородом образует ряд химических соединений: FeO (вюстит), Fe₃O₄ (магнетит) и Fe₂O₃ (гематит). Строение диффузионного слоя соответствует изотермическим разрезам соответствующих диаграмм состояния при температурах диффузии.

При температурах ниже эвтектоидной (570 ^оС) окисленный слой состоит из двух зон окислов: Fe₂O₃ и Fe₃O_4. Кристаллическая структура этих окислов сложна, и скорость диффузии в них мала.

При температурах выше 570 ^оС структура окалины состоит из трёх окислов: Fe₂O₃, Fe₃O₄ и FeO, причём основным слоем окалины является окись FeO. Скорость окисления возрастает при переходе через эвтектоидную температуру (570 ^оС), что является следствием более ускоренной диффузии атомов сквозь простую кристаллическую решётку вюстита, кристаллизующегося, как и фазы внедрения с дефицитом в неметаллических атомах (кислорода).

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и состояние окалины. Так, в результате введения в сталь соответствующих количествах хрома, алюминия или кремния, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуются плотные окислы Cr₂O₃, Al₂O₃ или SiO₂, диффузия сквозь которые происходит с трудом. Образовавшаяся тонкая плёнка этих окислов затрудняет процесс дальнейшего окисления.

Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть рабочая температура. При рабочей температуре 900 ^оС для достаточной окалиностойкости сталь (сплав) должен содержать не менее 10% Cr, а при рабочей температуре 1000 ^оС, уже не менее 20…25% Сr.

Окалиностойкость, столь существенно зависящая от состава стали или сплава, не зависит от его структуры, т.е. это свойство структурно нечувствительное. Так, окалиностойкость ферритных (чисто хромистых) и аустенитных (хромоникелевых) сплавов практически одинакова.

Под жаропрочными сталями и сплавами понимают, стали и сплавы, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах. Таким образом, жаропрочность это способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах.

Напряжение, которое вызывает разрушение металла при повышенных температурах, сильно зависит от продолжительности приложенной нагрузки. Оно может быть велико при кратковременном приложении нагрузки и мало, если нагрузка действует длительное время.

Жаропрочные, аустенитные стали (сплавы) на никелевой основе занимают существенное место в ряду жаропрочных материалов.

Аустенитные жаропрочные стали, применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин, и других «горячих» деталей реактивных двигателей, предполагающих работу при 600…700 °С.

Все аустенитные жаропрочные стали, содержат большое количество хрома и никеля, а также добавки других элементов. Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество никеля (марганца), а для получения высокой жаростойкости  хрома. При недостатке никеля возможно частичное образование -фазы, что ухудшает жаропрочность. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных, мартенситных, мартенсито-ферритных и ферритных.

Аустенитные жаропрочные стали обладают рядом общих свойств  высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения. Тем не менее, по сравнению с перлитными и мартенситными сталями они менее технологичны: обработка давлением и резаньем этих сплавов затруднена; сварной шов обладает повышенной хрупкостью; полученное вследствие перегрева крпнозернистое строение не может быть исправлено термической обработкой, так как в этих сталях отсутствует фазовая перекристаллизация. В интервале 550…600 °С эти стали часто охрупчиваются из-за выделения по границам зёрна различных фаз.

Аустенитные стали по способу упрочнения можно разделить на три группы:

1) твёрдые растворы, содержащие сравнительно мало легирующих элементов и не склонные к дисперсионному твердению (условно можно назвать их гомогенными, хотя на самом деле они содержат вторичные фазы, но в количествах, не вызывающих сильного эффекта старения), а следовательно мало упрочняемые термической обработкой;

2) твёрдые растворы с карбидным упрочнением, упрочняющими фазами выступают как первичные карбиды (TiC, VC, ZrC, NbC,и др.), так и вторичные карбиды (Ме₂₃С₆, Ме₆С, Ме₇С₃), выделяющимися из твёрдого раствора;

3) твёрдые растворы с интерметаллидным упрочнением, упрочняющими фазами являются ^- фаза типа Ni₃Ti , Ni₃Al, Ni₃Nb и др.

последние две группы существенно упрочняются термической обработкой с применение закалка + отпуск. Допустимое количество вторичной фазы 5%, а структурная стабильность достигается усложнением состава фаз и матрицы путём введения элементов с низкой диффузионной подвижностью (Мо, W, Nb и др.).

6.2.2. Характеристика аустенитных сплавов на никелевой основе

с интерметаллидным упрочнением

В современных турбинах и реактивных двигателях важнейшей деталью является лопатка турбины. Мощность реактивного двигателя в большой степени зависит от максимальной температуры рабочего тела (газа), при которой длительное время могут работать лопатки. В современных реактивных двигателях лопатки турбин разогреваются до 700…1000 °С, и имеется тенденция повышения этой температуры.

Для лопаток турбин, крепёжных деталей паровых и газовых турбин применяют, аустенитные стали и сплавы на основе никеля и кобальта.

Как и аустенитные стали, сплавы на основе никеля могут быть разделены на три группы:

1) сплавы с содержанием 14…16 %Cr, 32…38 %Ni (ХН35ВТЮ, ХН38ВТ и др.) дополнительно легированные вольфрамом, титаном и алюминием, после закалки и старения характеризуются высокой жаропрочностью;

2) сплавы с содержанием 20…25 %Cr, 25…45 %Ni (ХН28ВМАБ, 06ХН28МДТ и др.), которые благодаря высокому содержанию хрома обладают хорошей коррозионной стойкостью, жаростойкостью, но пониженной жаропрочностью;

3) сплавы на никелевой основе с содержанием никеля 30…60% и более, стареющие.

Первые два группы сплавов называемые инконели и нихромы, представляют собой сплавы никеля и хрома или никеля, хрома и железа с минимальным содержанием углерода и других элементов, которые могли бы образовывать вторичные фазы. Структура этих сплавов представляет собой твёрдый раствор этих элементов в никеле (гранецентрированная кубическая решётка). Гомогенный твёрдый раствор не обладает высокой жаропрочностью. Сплавы этого типа, как правило, используют как материала высокой жаростойкости, а также как материал для электрических нагревательных элементов сопротивления.

Практически как высокожаропрочные сплавы применяют стареющие никелевые сплавы – нимоники. К этой группе относятся, хромоникелевые дисперсионно твердеющие стали аустенитного класса, упрочняемые введением титана, алюминия, бора и тугоплавких элементов  вольфрама, молибдена, ниобия. Нимоник основного, «классического» состава представляет собой четверной сплав Ni–Cr–Тi–Al. Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом, а для повышения жаропрочности – титаном (1,0…1,8 %) и алюминием (0,5…5,5 %). Наиболее эффективным упрочнителем в этой системе является титан, который при благоприятных температурных условиях, взаимодействуя с никелем, образует -фазу, что значительно повышает твёрдость и прочностные свойства стали. Закалка с 1050…1150°С приводит к образованию твёрдого -раствора с гранецентрированной кубической решёткой. Нагрев такого закалённого (пересыщенного) твёрдого раствора приводит к его распаду, происходящему в несколько стадий.

Прежде всего, внутри твёрдого раствора происходит перераспределение атомов алюминия и титана, приводящее к локальным обогащениям этими примесями. Этот процесс наблюдается не только при низких температурах отпуска, но даже в процессе закалочного охлаждения. Поэтому подавление этого процесса очень быстрым охлаждением при закалке нежелательно.

Следующая стадия заключается в появлении в местах, где повысилась концентрация атомов алюминия и титана, как бы второй фазы. На какой-то стадии старения можно уже рентгенографически определить наличие двух фаз с одинаковой кристаллической решёткой, но несколько отличающимися друг от друга параметрами решётки. Принято называть, обеднённую алюминием и титаном, -фазой, а обогащённую (выделившуюся)  -фазой.

Если первый процесс, т.е. перераспределение алюминия и титана внутри решётки твёрдого раствора, наблюдается в процессе закалочного охлаждения и в процессе отпуска при 500…600 °С, то при 600…850 °С наблюдается появление -фазы, размер частиц и состав которой зависит от температуры и продолжительности отпуска (старения).

Максимальная твёрдость и количество -фазы после 100 час. старения почти совпадают и относятся к температуре старения 750…775 °С.

Таким образом, при старении закалённого сплава образуется интер-металлидная ^- фаза типа Ni₃ (Ti, Al), когерентно связанная с основным  - раствором, а также карбиды TiC, Cr₂₃C₆ и нитриды TiN, увеличивающие прочность при высоких температурах. Высокая прочность у состаренного нимоника связана с образованием большого количества (обычно до 20%), вторичной фазы когерентно связанной с маточным твёрдым раствором. Эта когерентная связь в свою очередь вызывает дробление блоков - твёрдого раствора. Малая же скорость разупрочнения связана с малой диффузионной подвижностью атомов алюминия и титана при высоких температурах вследствие высоких значений сил межатомных связей в решётках - ^- фаз.

При температурах 700…800 °С скорость роста частиц второй фазы мала, но при 850…900 °С уже значительна, что определяет температурный и временной предел применения этих сплавов. Предельная температура работы сплавов на никелевой основе может составлять  0,8 Т_ПЛ. При более высоких температурах происходит коагуляция и растворение ^-фазы в -растворе, что сопровождается сильным снижением жаропрочности. Хром и кобальт понижают, а вольфрам повышает температуру полного растворения ^-фазы. Увеличение содержания Al, W и дополнительное легирование сплава Nb, Ta, V позволяет повысить их рабочую температуру. Дальнейшее увеличение жаропрочности достигается легированием сплавов 2,0…11% Мо и 2,0…11% W, упрочняющим твёрдый раствор повышающим температуру рекристаллизации и затрудняющим процесс диффузии в твёрдом растворе, определяющим коагуляцию избыточных фаз и рекристаллизацию. Добавление к сложнолегированным сплавам 4…16% Со ещё больше увеличивает жаропрочность и технологическую пластичность сплавов. Для упрочнения границ зёрен -раствора сплав легируют бором и цирконием. Они устраняют вредное влияние примесей, связывая их в тугоплавкие соединения. Примеси серы, сурьмы, свинца и олова понижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обработку давлением. Поэтому для повышения жаропрочности при выплавке жаропрочных сплавов нужно применять более чистые шихтовые материалы, свободные от вредных легкоплавящихся примесей (Pb, Bi, Sn, Sb и S).

Для обеспечения высокой жаропрочности никелевые сплавы должны иметь структуру крупнозернистого -твёрдого раствора и равномерно распределённую -фазу. Разнозернистость (т.е. наличие крупных и мелких зёрен), преимущественное выделение -фазы по границам зёрен, сохранение наклёпа (например, наклёпанного слоя, полученного при обработке резанием) приводить к снижению жаропрочности.