3.2.2 Влияние легирующих элементов на жаропрочность сплава

Легирование никеля 20% Cr дает сравнительно небольшое растворное упрочнение; его длительная прочность возрастает всего на 25-30%, главным образом в результате увеличения сил межатомной связи.

Алюминий сильно повышает жаропрочные свойства не только двойных, но и сложнолегированных никельхромовых сплавов. Благоприятное влияние алюминия обусловлено формированием упрочняющей фазы γ’- фазы (Ni₃Al), количество которой возрастает с увеличением содержания алюминия и составляет: ~5% при 0,6% Al; ~25% при 1,7% Al и ~ 42% при 4% Al. Увеличение количества γ`-фазы вызывает повышение жаропрочных характеристик. Вместе с тем алюминий уменьшает технологическую пластичность никелехромовых сплавов и при содержании более 3-4% Al возникают существенные затруднения при обработке давлением.

Легирование никелехромовых сплавов 2,5-3,0% Ti способствует образованию дисперсных выделений интерметаллида Ni₃Ti, что вызывает повышение длительной прочности. Однако предельные рабочие температуры в этом случае не столь высоки, как при легировании алюминии, поскольку несоответствие параметров решетки упрочняющей фазы и матрицы для Ni₃Ti больше, чем для Ni₃Al, что вызывает более интенсивную коагуляцию частиц Ni₃Ti при высоких температурах по сравнению с Ni₃Al.

При одновременном легировании никелехромовых сплавов алюминием и титаном жаропрочные свойства обычно несколько ниже, чем при легировании одним алюминием в той же концентрации, что и суммарное содержание алюминия и титана. Жаропрочность некоторых сплавов, легированных алюминием и титаном одновременно, примерно такая же, как у сплавов, легированных одним алюминием. Это, по-видимому, наблюдается в том случае, когда сплавы не только легированы титаном, но и содержанием остальных компонентов подобрано таким образом, что их определенное распределение между γ и γ’- фазами обеспечивает почти нулевой параметр несоответствия решеток.

В сплавах на никелевой основе всегда есть железо, хотя оно и не является основным легирующим элементом. Железо допускается в этих сплавах в связи с возможностью использования для легирования вместо хрома более дешевого

феррохрома. В сплавах, предназначенных для работы при температурах 700-750°С, содержание железа ограничивается 5-8%, поскольку до этих концентраций оно практически не влияет на жаропрочность и технологичность сплавов. В сложнолегированных сплавах с высокой рабочей температурой железо ухудшает жаропрочность и его содержание не должно превышать 1-2%.

Кобальт входит в состав γ’-фазы, замещая никель, но основная его доля растворяется в γ-фазе. Он повышает температуру полного растворения γ’-фазы в матрице, что способствует увеличению жаропрочности никелевых сплавов. Благоприятное влияние кобальта на жаропрочность состоит также в повышении пластичности и вязкости; к тому же он не снижает температуру солидуса. Поэтому деформируемые никелевые сплавы вводят до 15-20% (по массе) Co.

Ванадий, ниобий и тантан вводят в никелевые сплавы для легирования γ’-фазы, упрочнения γ-раствора и формирования карбидов. Ванадий примерно поровну распределяется между γ и γ’-фазами и стабилизирует структуру сплава. Его действие подобно бору, но бор стабилизирует границы зерен, а ванадий оказывает такое же действие по всему объему зерна. С увеличением содержания элементов VA группы в никелехромовых сплавах, легированных алюминием и титаном, жаропрочность повышается.

Хром, растворяющийся преимущественно в γ-фазе, увеличивает длительную прочность сложнолегированных сплавов при температурах 700-750°С. Однако он существенно снижает температуру солидуса сплавов, так что при очень высоких рабочих температурах большое содержание хрома отрицательно сказывается на длительной прочности из-за ускорения диффузионных процессов. В связи с этим чем больше содержание хрома в сложнолегированных никелевых сплавах, тем ниже их предельные рабочие температуры.

Вольфрам, примерно поровну распределяясь между γ и γ’-фазами, тормозит развитие в них диффузионных процессов и поэтому повышает жаропрочность никелевых сплавов. Молибден тоже растворяется в γ’-фазе, но

большая его часть входит в состав γ-раствора, в связи с чем молибден оказывает эффективное растворенное упрочнение. Однако при высоких содержания молибдена возрастает склонность жаропрочных никелевых сплавов к внутреннему окислению, особенно при высоких температурах и длительных выдержках.

Содержание элементов VIА группы (Cr, Mo, W), а также алюминия и титана не должно быть чрезмерно большим, так как в структуре сплавов появляются нежелательные фазы σ и μ, ухудшающие их жаропрочность и технологичность.

Наиболее высокие жаропрочные свойства достигаются при комплексном легировании никелевых сплавов. Усложнение химического состава никелевого твердого раствора легированием одновременно несколькими элементами, такими как хром, молибден, вольфрам, кобальт, увеличение содержания упрочняющей γ’-фазы, микролегирование бором приводят к росту длительной прочности никелевых сплавов, к повышению их предельных рабочих температур.

В никелевых сплавах всегда есть углерод, в связи с чем в них образуются карбиды титана, хрома, а в присутствии азота и карбидонитриды. Карбиды и карбидонитриды могут влиять положительно и отрицательно в зависимости от их количества и распределения.

В никелевых сплавах карбиды выделяются преимущественно по границам зерен, упрочняя их, повышая жаропрочность и снижая пластичность. Чтобы получить сочетание высокой жаропрочности и приемлемой пластичности, необходимо обеспечить выделение определенных карбидов в благоприятной форме. Наиболее желательны карбиды типа MeC и Me₆C простой формы; резко отрицательно на свойства никелевых сплавов влияют карбиды типа Me₂₃C₆, особенно ячеистой структуры, а также Me₆C видманштеттова строения. Легирование никелевых сплавов ниобием и танталом способствует связыванию углерода в стабильные карбиды типа MeC, а повышение содержания хрома облегчают выделение карбидов типа Me₂₃C₆.