Пределы длительной прочности и ползучести сплавов на никелевой основе*1

Сталь	Температура, °С	Предел длительной прочности,  , МПа за время, ч						Пределы ползучести*3 , , МПа
		100	200	300	1000	10 000*2
ХН65ВМТЮ	700	> 600	–	–	400	300	300 (1/10 000)
	750	500	–	–	330	230	200(1/10 000)
	800	300	–	–	200	140	120 (1/10 000)
ХН70ВМЮТ	600	780	750	740	650	530	–
	700	450–500	420–470	400–450	310–350	220–240	200 (1/10 000)
	800	220–250	210–230	190–220	140–160	–	80 (1/10 000)
ХН70ВМТЮ	700	480–520	–	420	360	–	300 (0,2/100)
	800	280–300	–	210	180	–	170 (0,2/100)
	850	180–200	–	–	100	–	170 (0,2/100)
ХН80ТБЮ	650	–	–	–	400	300–260	350 (1/10 000)
	700	–	–	–	270	170–180	220 (1/10 000)
ХН70МВТЮБ	700	480	420	–	–	–	180 (0,2/100)
	800	250	230	–	–	–	–
ХН67МВТЮ	700	480–520	–	380–420	360–390	280–320	360 (1/1 000)
	800	280–300	–	230–250	180–200	120–150	–
	850	180–200	–	140–160	110–130	70–80	–
	900	120–140	–	90–100	70–80	40–45	60 (1/1 000)
ХН75МБТЮ	700	160–170	150	–	–	–	–
	800	80	70	–	–	–	43 (5/100)*4
	900	29	22	–	–	–	14 (5/100)*4
ХН78Т	700	105	–	–	32–35	–	–
	800	45	–	–	–	–	18(5/100)*4
	900	15	–	–	–	–	7 (5/100)*4
ХН77ТЮР	600	680	660	–	–	450	720 (0,2/100)
	700	420	400	–	350	180	260 (0,2/100)
	800	200	–	–	150	–	150 (0,2/100)
ХН60Ю	800	60–80	–	–	40–50	–	–
	900	35	–	–	 20	–	24 (0,2/100)
	1000	6	–	–	–	–	10 (0,2/100)
ХН60ВТ	800	110	95	87	–	–	83 (5/100)*4
	900	52	43	40	–	–	34 (5/100)*4
ХН70Ю	800	90–100	–	80	–	–	–
	900	35–40	–	–	–	–	25 (5/100)*4
ХН75ВМЮ	850	270 (не менее 50 ч); 250 (не менее 65 ч)

^{*1 После оптимальной термической обработки.}

^{*2 Экстраполированные значения.}

^{*3 В скобках в числителе — деформация в %, в знаменателе — время в ч.}

^{*4 Определено на конических образцах.}

Наиболее часто применяемые сплавы первой группы относятся к системе Ni—Cr—Ti—Al. Присутствие в этих сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650–950 °С, позволяет достигнуть после закалки и отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения, благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni₃(Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым против температурного воздействия при 700–800 °С и выше.

Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы этой группы W и Мо (в сумме до  10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет развитие диффузионных процессов и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем увеличения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800–850 °С и высоких напряжениях.

К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них небольших добавок поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также небольшое содержание в них примесей (S, P, Pb, др.).

Термическая обработка этих сплавов заключается в одинарном или двойном нагреве до высоких температур (1080–1200 °С) с охлаждением чаще всего на воздухе и последующем отпуске при температурах 700–850 °С. Для наибольшей стабилизации исходной структуры применительно к деталям с длительным сроком службы рекомендуется проводить многоступенчатый отпуск при постепенно понижающейся температуре.

Жаропрочные никелевые сплавы изготовляют в виде сортового проката (прутки круглого сечения) и частично в виде поковок различной конфигурации.

Основное назначение этой группы высоколегированных сплавов — изготовление рабочих лопаток и дисков газовых турбин. Диски работают при более высоких напряжениях, чем лопатки (но при несколько пониженной температуре), поэтому материал диска должен иметь высокое сопротивление ползучести (особенно на ободе) и повышенную прочность (в ступичной части).

Прочность сплавов на никелевой основе сохраняется высокой вплоть до температур 800–900 °С. Так, при 800 °С временное сопротивление σ_в наиболее легированных сплавов составляет 700–800 МПа, 100-часовая длительная прочность — 250–300 МПа. В то же время характеристики пластичности δ и ψ удовлетворительны при всех температурах испытания и несколько снижаются в температурном интервале дисперсионного твердения (700–800 °С). Остаточная деформация этих сплавов при испытаниях на длительную прочность при 700–800 °С порядка 3–10 %.

В табл. 12.7 приведены характеристики жаропрочности никелевых сплавов.

На рис. 12.1 приведены характеристики механических свойств широко применяемого в авиации сплава ХН77ТЮР при кратковременном нагружении при температурах 500–900 °С. Зависимость длительной прочности этого сплава и его модификации без бора ХН77ТЮ от времени дана на рис. 12.2.

Рис. 12.1. Зависимость изменения характеристик механических свойств жаропрочного сплава ХН77ТЮР от температуры

Рис. 12.2. Длительная прочность сплавов ХН77ТЮ и ХН77ТЮР

Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности у сплава ХН65ВМТЮ, получившего широкое применение как материал для лопаточного аппарата стационарных газовых турбин ГТ-6, ГТН-9, ГТК-10, ГТК-16, ГТТ-12, ГТА-18, ГТУ-25, ГТУ-100. Этот сплав — основной лопаточный материал в стационарном газотурбостроении. Кроме того, благодаря исключительно высокой релаксационной стойкости этот сплав применяют для изготовления крепежных деталей турбин.

Из жаропрочных никелевых сплавов можно получать детали методом отливки (например, точным литьем по выплавляемым моделям).

Ко второй группе относятся сплавы марок ХН70, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН78Т, ХН60В, ХН75МБТЮ, применяемые преимущественно как жаростойкие. Эти сплавы, за исключением двух последних, отличаются высоким содержанием Cr (20–30 %) и практически гомогенной структурой твердого раствора после принятых режимов термической обработки (нагрев до 1000–1200 °С с охлаждением в воде или на воздухе). Эти сплавы выпускают в виде холоднокатаного или горячекатаного листа преимущественно для деталей газопроводных систем, работающих при умеренных напряжениях в условиях весьма высоких температур (до 1100–1200 °С). У этих деталей кроме достаточной технологичности (прокатываемость, штампуемость, свариваемость) и высокого сопротивления газовой коррозии (окалиностойкость) должно быть хорошее сопротивление термической усталости (термостойкость). Всем этим требованиям отвечают сплавы на никелевой основе.

У жаростойких листовых никелевых сплавов повышена пластичность в холодном и горячем состоянии, но жаропрочность ниже, чем у сплавов первой группы. Так, длительная прочность за 1000 ч составляет 40–60 МПа при 800 °С и 20–25 МПа при 900 °С (табл. 12.7).

Химический состав жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов на никелевой основе приведен в табл. 12.11.

Физические свойства в зависимости от температуры (коэффициент линейного расширения, модуль нормальной упругости, плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость) для коррозионностойких сталей и сплавов приведены в табл. 12.12–12.16.

Сплавы на кобальто-никелевой основе

Дополнительное легирование никелевых сплавов кобальтом повышает их жаропрочные свойства, а также улучшает технологическую пластичность. Содержание кобальта должно быть достаточно высоко. Так, в отечественных марках таких сплавов (табл. 12.8) содержание кобальта варьируют от 5 до 15 %, в зарубежных — доводят до 30 % . Чем выше рабочая температура сплава, тем больше кобальта требуется для получения данного уровня жаропрочности.

Пределы длительной прочности на сроки 100 и 1000 ч типичных кобальто-содержащих сплавов приведены в табл. 12.8. У всех этих сплавов высокое содержание алюминия (4,5–6 %), причем первые три сплава не содержат титана.