Глава 9. Жаропрочное порошкові матеріали

9.1. Вимоги, пропоновані до Жаропрочное Порошкові матеріали

Підвищення робочих температур багатьох матеріалів, які працюють в умовах механічних напруг і високих температур, дозволяє підвищити к. п. д. машин і механізмів за рахунок підвищення потужності, збільшення швидкостей, а також знизити їх металоємність. Так, наприклад, застосування відповідних конструкційних матеріалів, що дозволяють підвищити температуру робочих газів газотурбінних установок на 150-200 ° С, збільшує їх потужність на 20-30%.

Одним з важливих вимог, що пред'являються до матеріалів, що працюють з електро-і теплоенергетичних установках, в літако-та ракетобудування, є висока міцність при підвищених температурах. Іноді до матеріалів, наприклад, що працюють у потужних реактивних двигунах, разом з вимогою високої короткочасної міцності пред'являються вимоги високих теплопровідності і корозійної стійкості.

З огляду на викладені і ряд інших умов роботи розглянутих матеріалів, вимоги до них можуть бути сформульовані наступним чином.

Матеріали повинні: 1) витримувати робочі температури, аж до 0,80-0,95 Гпл; 2) мати високу і стабільну міцність протягом всього періоду експлуатації; 3) володіти високою стійкістю проти термічних ударів; 4) мати теплопровідність не нижче 17, 3 Вт / (м12-К); 5) виявляти високі корозійну і ерозійну стійкість; 6) бути технологічними, тобто легко піддаватися різним видам механічної і теплової обробки без помітного погіршення міцнісних властивостей.

Матеріали, що відповідають викладеним вимогам, зазвичай називають жаропрочное. Під жаропрочное розуміють здатність чинити опір повзучості матеріалів, тобто пластичної деформації при підвищених температурах і напрузі протягом певного періоду часу. Для характеристики жаропрочное використовують величини меж повзучості та тривалої міцності.

Під межею, повзучості на увазі напруження, яке викликає в випробуваному матеріалі задану деформацію при певних температурі і тривалості випробування і позначається символом a1 (t - температура випробування, ° С; I - заданий подовження,%; * - тривалість випробування, ч). Наприклад, про ™> / 100 - це напруження, яке викликає деформацію 0,5% за 100 годин при температурі 700 ° С. Межа повзучості можна також визначити по заданих швидкості і температурі пластичної деформації. У цьому випадку його позначають символом про * (t - температура випробування, ° С; V-швидкість деформації,% / ч). Наприклад, а600_5-це

5-10

напруга, що викликає деформацію матеріалу зі швидкістю 5 - Ю-5% / год при температурі 600 ° С.

Під межею тривалої міцності на увазі граничне напруження, яке витримує матеріал без руйнування при заданих температурі і тривалості випробування. Позначається межу тривалої міцності символом з * (t - температура випробування, ° С; т - тривалість випробування, ч). Наприклад, про ™ - це напруження, яке витримує матеріал при температурі 700 ° С протягом 100 год без руйнування.

Однак зазначені характеристики (а *, - <r * v і а *) не завжди достатньою мірою характеризують жароміцних матеріалів. Іноді для практичного використання необхідна до полнітельная характеристика їх корозійної І ерозійної стійкості, а також термостійкості.

Все викладене вище свідчить про те, що вимоги, пропоновані до жароміцних матеріалів, досить різноманітні і виконати їх у повному обсязі, використовуючи який-небудь один матеріал, складно. Так, наприклад, деякі сплави нікелю та тугоплавкі метали, перспективні для застосування як жаростійких, при підвищених температурах окислюються.

Тому для надання комплексу необхідних властивостей на їх поверхню наносять діффузіоіимі або газотермічних методами покриття, стійкі проти окислення. Існують матеріали, які мають високий рівень жароміцних, але вони не знаходять застосування із-за того, що не піддаються традиційній механічній обробці різанням, штампуванням, гнучкою, а також зварюванні або пайку. Останнє обмеження у багатьох випадках може бути знято при використанні для виготовлення конкретних деталей з таких матеріалів методом порошкової металургії.

9.2. КЛАСИФІКАЦІЯ, ВЛАСТИВОСТІ І ПРИЗНАЧЕННЯ Жаропрочное ". Порошкові матеріали

В даний час в техніці знаходять застосування жароміцні матеріали різних складів і властивостей. При цьому робочі температури таких матеріалів в залежності від складу знаходяться в межах 200-2000 & С. Для порівняння жаропрочное різних матеріалів використовують відношення робочої температури до температури плавлення сплаву або основного матеріалу, що звичайно становить 0,5-0,9 (табл. 73).

Жароміцні матеріали за складом можна розділити на: Д) металеві; 2) на основі сплавів і легованих сталей; 3) на основі тугоплавких сполук; 4) Кермет.

Таблиця 73. Робочі температури жароміцних сплавів

Основа жаропрочных	Температура плавления осно­вы, °С	Рабочая температу­ра, °С	Т раб, С
			^*пл. осн » °С
Магний Алюминий САП Титан Медь Ферритные стали Аустенитные стали Кобальт Никель ТД-никель Хром Ниобий Тантал Вольфрам	650 660 660 1670 1083 1539 1539 1495 1455 1455 1875 2468 3000 3380	100—350 150—350 350—500 450—550 450—600 550—650 650—850 800—900 850—1030 1000—1020 700—1150 1100—1300 1300—1650 1650—2200	0,40—0,68 0,45—0,67 0,53—0,80 0,37—0,42 0,53—0,64 0,45—0,51 0,51—0,62 0,60—0,69 0,65—0,75 0,70—0,83 0,45—0,66 0,50—0,58 0,48—0,59 0,53—0,6а

Чисті метали, за винятком тугоплавких, як жароміцних матеріалів практично не застосовуються. Що ж до тугоплавких металів, то, незважаючи на відносно низьку жаростійкість ((0,3-0,4) Тлл), їх допустимі робочі температури лежать в межах 1000-1200 ° С, що перевищує допустимі робочі температури багатьох жароміцних матеріалів.

До найбільш численної групи жароміцних матеріалів належать різні сплави і леговані сталі, наприклад магнієві, алюмінієві, титанові, нікелеві та кобальтові сплави, сплави на основі тугоплавких металів (V, Cr, Nb, Mo, W, Та) і жароміцні стали феритного і аустеіітного класів .

Серед матеріалів даної групи широко застосовуються жароміцні сплави на основі нікелю. Такі сплави, отримані методами порошкової металургії, за експлуатаційними характеристиками перевершують сплави, отримані литтям з наступною механічною обробкою. Останнє обумовлено тим, що у разі застосування, лиття і кування для виготовлення деталей з складність яолегірованних сплавів нікелю не вдається отримати рівномірну структуру через схильність до сегрегації легуючих елементів в процесі кристалізації сплавів.

Всі жароміцні матеріали другої групи мають низьку ока-ліностойкость при температурах понад 900 ° С. Виняток становлять сплави на основі хрому, які можуть експлуатуватися в окисної середовищі при температурі 1150-1200 ° С без захисних покриттів.

Тугоплавкі сполуки, серед яких у першу чергу слід виділити карбіди і бір Іди тугоплавких металів, а також оксиди, мають досить високу жаропрочное при температурах понад 1300 ° С. Однак низька термостійкість і висока крихкість не дозволяють широко застосовувати їх як жароміцних матеріалів.

У цьому відношенні більш перспективні Кермет, що містять тугоплавкі з'єднання (кераміку), і метали, що дозволяє об'єднати їх властивості - високі жаропрочное і пластичність. При цьому існують два види Кермет: інфракермети, що представляють собою жароміцні металеві матеріали, дисперсно-зміцнені керамічної фазою, і ультракермети - матеріали на основі кераміки з металевим сполучною. Залежно від виду Кермет зміст кераміки в ньому може змінюватися від 2 до 75% (за об'ємом). Так, наприклад, при необхідності підвищення жаропрочное нікелю в нього вводять до 2% оксиду торію, а для підвищення міцності і зниження крихкості жароміцного матеріалу на основі карбіду титану - від 10 до 30% нікелю.

Крім виду вихідних матеріалів на властивості жароміцних металів і сплавів можуть впливати метод одержання вихідних матеріалів, тонка структура сплаву і склад композиції, з якої виготовляється жароміцний сплав. Так, наприклад, для підвищення міцності жароміцних матеріалів вихідні компоненти можна одержувати у вигляді монокристалів, вусів і т. п., які за порівняй нію з полікристалічний речовинами мають більш високі міцнісні характеристики як при кімнатній, так і при підвищеній температурах. Останнє обумовлено досконалістю міжатомних зв'язку в монокристалах.

Інший напрям підвищення міцності жароміцних матеріалів - створення композицій, сукупність властивостей компонентів яких забезпечує задані властивості жароміцного матеріалу.

Найбільш ефективним методом досягнення необхідних властивостей жароміцних матеріалів є отримання їх зі структурою, що має високу термодинамічну стабільність і наявністю великої кількості недосконалості кристалічної будови і дисперсних частинок стабільних фаз, що зберігаються, при підвищених температурах. Остання гальмує рух дислокацій при пластичній деформації, що сприяє підвищенню міцності матеріалів.

Створити необхідні структуру і стан кристалічної решітки матеріалів можна легуванням з метою отримання в структурі сплаву дисперсних частинок стабільних фаз, що утворюються в процесі подальшої термообробки (старіння), або введенням таких фаз у вихідну шихту у вигляді дисперсних порошків.

Крім вибору хімічного складу сплавів, вказані цілі досягаються також механічної, термічної і термомеханічної обробкою.

Механічна обробка (деформація, прокатка) призводить до наклепу, що дозволяє одержати високу щільність дислокацій. Однак при нагріванні таких матеріалів до температур понад 0,5 7Пл відбувається їх знеміцнення за рахунок явищ відпочинку.

Термообробка жароміцних сплавів передбачає загартування і штучне старіння. При загартування фіксуються пересичені тверді розчини, з яких при старінні виділяються інтер-металліди у вигляді дрібнодисперсних зміцнюючих частинок.

Термомеханічної обробки, що складається в загартування, холодної деформації та старіння, забезпечує більш високі міцнісні властивості, ніж у попередніх випадках. Це обумовлено тим, що при холодній деформації збільшується кількість недосконалості кристалічної решітки, тому тверді розчини розпадаються швидше, а що виділяються при цьому дисперсні частинки нової фази розподіляються за обсягом більш рівномірно.

Абсолютні робочі температури жароміцних матеріалів більшою мірою визначаються температурою плавлення матеріалу основи сплаву, ніж структурними факторами. Відношення робочих температур до температури плавлення матеріалу-основи приблизно однакове для всіх матеріалів.

Однак зазначена закономірність характерна не для всіх сплавів. Так, наприклад, конструкційні сплави на основі титану і жароміцні ферритові стали мають більш низькі робочі температури, що пов'язано з поліморфними перетвореннями, що відбуваються в титані і залозі. Зниження жаропрочное в цьому випадку пов'язано

з підвищенням дифузійного рухливості атомів при перебудові кристалічної решітки.

Найбільш високі відносні робочі температури властиві дисперсно-зміцненим матеріалами (СПА і ТД-нікель), що зумовлено високою стабільністю їх структури. Висока стабільність структури забезпечується наявністю в цих матеріалах дрібнодисперсних оксидів, які не взаємодіють з матеріалом матриці навіть при температурах її плавлення. З цієї ж причини підвищуються відносні робочі температури в евтектичних композиційних матеріалах, в яких також відсутня взаємодія між компонентами евтектики аж до температури її плавлення.

Жароміцні матеріали знаходять широке застосування в техніці при виготовленні деталей і механізмів, що працюють під навантаженням при підвищених температурах. Це енергетичні установки - парові котли і турбіни, деталі газових турбін, двигунів внутрішнього згоряння, реактивних двигунів. Подальші розробки жароміцних матеріалів пов'язані з підвищенням їх надійності та технологічності, а також з підвищенням експлуатаційних характеристик і зниженням вартості.

Сучасні конструкційні матеріали є багатокомпонентними системами, які можна піддавати різним видам обробки з метою поліпшення міцнісних властивостей при підвищених температурах. Необхідні характеристики, вид зміцнюючої обробки і визначають склад вихідних матеріалів і технологію їх отримання.

9.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ВИХІДНИХ МАТЕРІАЛІВ, ЇХ ПРИЗНАЧЕННЯ І ПІДГОТОВКА

Для виготовлення жароміцних матеріалів використовують порошки металів, сплавів, легованих сталей, а також їх суміші. Застосовуються порошки металів, оксидів, тугоплавких з'єднань, що випускаються промисловістю. При цьому слід враховувати, що при наявності домішок, температура плавлення яких нижче температури плавлення основного металу, жароміцних одержуваних матеріалів знижується. Тому при необхідності проводиться рафінування вихідних порошків. Крім того, деякі метали, що мають велику спорідненість до кисню, вводять до складу вихідної шихти у вигляді лігатури, найчастіше у вигляді феросплавів. В іншому випадку, наприклад при введенні до складу шихти алюмінію, титану, кремнію, відбувається окислення, що утрудняє процес спікання виробів.

Для виготовлення жароміцних матеріалів використовують порошки сплавів і легованих сталей, отримані розпиленням розплавів газом, розпиленням обертового електрода, дифузійним насиченням з точкових джерел, а також відновленням сумішей оксидів воднем або гідридів кальцію. Так, для виготовлення жароміцних матеріалів можуть бути використані:

) Порошки алюмінієво-марганцевих, алюмінієво-титанових сплавів, одержувані розпиленням розплавів сплаву азотом; 2) порошки високолегованих сталей і сплавів на основі заліза (ГОСТ 13084-67), одержувані відновленням гідридів кальцію сумішей порошків оксидів металів. Основними легуючими елементами таких сплавів є нікель (1,5-20%) і хром (16-32%); 3) порошки сплавів хрому, одержувані розпиленням обертового електрода, розплавляється газової плазмою. Порошок вихідних матеріалів готують аналогічно, як і порошки конструкційних і композиційних матеріалів.

9.4. ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ Жаропрочное Порошкові матеріали З МЕТАЛІВ, СПЛАВІВ і легованих сталей

Одним з основних завдань технології виготовлення жароміцних матеріалів є отримання беспорістого матеріалу з необхідною структурою, оскільки залишкова пористість істотно знижує їх жаропрочное і жаростійкість. Тому технологія одержання виробів з тугоплавких металів і легованих сталей майже не відрізняється від технології отримання конструкційних важко навантажених деталей (див. гл. 1).

Розглянемо технологію одержання заготівок з жароміцних сплавів на основі нікелю, титану і хрому, які широко застосовуються як конструкційні матеріали для роботи при температурі 800-1000 ° С. Деформуючі жароміцні матеріали па основі нікелю типу ЕП200 виготовляють з порошків нікелю та алюмінію. При цьому з метою підвищення жароміцних сплавах за рахунок зниження вмісту легкоплавких домішок застосовують карбонільні порошки нікелю з високим ступенем чистоти. Алюміній, який входить до складу більшості нікелевих жароміцних сплавів, вводять у вигляді лігатури Ni-А1.

Вихідні порошки змішують в конусних ілі'У-образних змішувачах протягом 4-24 год залежно від складу шихти. Пресують заготовки в сталевих прес-формах при тиску 600 - 700 МПа, а спікають при температурі 1200-1300 ° С у вакуумних печах при тиску 1-10 МПа протягом 3-20 г. Тривалість витримки істотно впливає на властивості сплавів, оскільки визначає гомогенність і щільність заготовок. Після спікання заготовки піддають деформаційної і термічній обробці. Деформаційна обробка полягає в обтиску або екструзії, а термообробка-в нагріванні до температури 1150-1200 ° С і охолодженні у воді або на повітрі з подальшим старінням при температурі 900-950 ° С протягом 6-12 год Нагрівання під загартування і старіння проводять в інертному середовищі з метою виключення збіднення поверхні заготовки на алюміній і титан, які утворюють зміцнюючої у'-фазу (Al, Ti).

Розглянуті матеріали можна також отримувати, використовуючи порошки готових нікелевих сплавів, здобуті розпиленням. Через

поганий пресованої таких порошків, зумовленої великим розміром часток (50-600 мкм), підвищеним вмістом газів і оксидів, технологія виготовлення виробів з них трохи видозмінюється. Так, для покращення технологічних властивостей порошків їх піддають розуміли в струминних млинах. Для цього формують газопорошковую струмінь, швидкість якої може досягати швидкості звуку при тиску газу (аргон, повітря) 7 МПа, і направляють її в камеру розмелювання, де тиск знижений до - 100 Па. У результаті цього при вході в камеру відбувається різке адіабатичне розширення газу, що призводить до переохолодження порошку і тим самим до полегшення його подрібнення при ударі об тверду мішень. Крім інтенсивного подрібнення відбувається очищення порошку від оксидів, які за рахунок своєї крихкості подрібнюються більшою мірою і за рахунок меншої щільності видаляються та відходять газами.

Дегазацію порошків проводять нагріванням у вакуумі порошку, який міститься у металеві контейнери. Після дегазації контейнери з порошком вакууміруют і подають на пресування. Пресування проводять у газостатах при температурі 1200-1250 ° С і тиску 200-250 МПа протягом 1-2 години або гарячим пресуванням у вакуумі при такій же температурі і тиску 50 МПа, використовуючи молібденові прес-форми. Отримані за такої технології заготівлі практично беспорістие. При необхідності проведення деформаційної обробки заготовки нагрівають до температури 500-700 ° С. Термообробку проводять за такими ж режимам, як і матеріалів, отриманих із суміші порошків.

Для отримання виробів з жароміцних сплавів нікелю застосовують також високоенергетичні методи формування заготовок-динамічне гаряче пресування і гарячу екструзії. При цьому операції пресування і спікання іноді поєднують. У цьому випадку вихідні порошки засипають у сталевий контейнер і ущільнюють віброутряской до відносної щільності 65-70%, після чого контейнер дегазуються, герметизують і піддають одним із зазначених видів гарячої обробки.

Методами порошкової металургії можна також отримувати жароміцні матеріали із сплавів нікелю, не деформуються в литому стані. Так, наприклад, вироби зі сплаву ЖС-6 одержують пресуванням вихідних порошків при тиску 600 МПа з наступним спіканням прессовок у вакуумі при температурі 1300 ° С протягом 2 ч. Відносна щільність отриманих таким чином заготовок досягає 95%. Потім заготовки нагрівають до температури 1150 ° С і піддають штампуванні з 30%-м обтисненням за чотири прийоми.

Жароміцні сплави титану отримують за технологічною схемою, аналогічною сплавів нікелю, з незначними змінами параметрів. Так, оптимальний тиск пресування складає 400-800 МПа, спікання проводять у вакуумі при тиску 0,1 - 1,0 МПа, температурі 1250-1300 ° С протягом 4-6 годин Всі сплави титану можна піддавати деформаційної обробці як при кому натной , так і при підвищеній температурі, при кімнатній темир ратури вони витримують без руйнувань ЗВ \-ю деформації. при температурі 1200 ° С - 80%-ю.

Для виготовлення деталей з жароміцних сплавів титану застосовують також ізостатичного і гаряче вакуумне пресування пої тиску 150-200 МПа і температурі 1200-1300 ° С.

Особливий інтерес представляють жароміцні матеріали на основі хрому, які можуть експлуатуватися в умовах газової корозії при температурах до 1250 ° С.Останнє зумовлено утворенням на поверхні хрому щільних шарів стабільного оксиду хрому.

Основним недоліком сплавів на основі хрому є їх висока крихкість, що характерно і для порошків з цих сплавів. Цей недолік ускладнюється наявністю домішок кисню та азоту. Тому основним завданням, яке необхідно вирішити для підвищення пластичності порошків із сплавів на основі хрому, є отримання їх вільними від домішок зазначених газів і з дрібнозернистою структурою. Для зниження вмісту газів в порошках їх видобувають електролізом або хлорідноплазменним способом. При цьому зміст газів в них не перевищує 0,5%. При виготовленні порошків розпиленням розплавів їх розкислють введенням в розплави елементів з високою спорідненістю до кисню та азоту. Застосування для цієї мети таких металів, як ітрій, лантан та інших РЗЕ, не тільки підвищує пластичність порошків, але і збільшує жаростійкість матеріалів з них, особливо при температурі 1000-1200 ° С.

Для отримання більш дрібнозернистою структури заготовок проводять подрібнення розпорошених порошків до часток розміром 1 - 5 мкм. Ефективним методом подрібнення в цьому випадку так само, як і для сплавів нікелю, є розмел в струминних млинах. Після розуміли порошки сплавів хрому піддають пресуванню в сталевих прес-формах при тиску 400-600 МПа і спікають при температурі 1300-1450 ° С в середовищі водню з точкою роси -60 ° С. Крім того, для запобігання окислення хрому спікання проводять в засипання, що складається з суміші оксиду алюмінію і хрому (2-5%). Оскільки порошки хрому і його сплавів володіють низькою активністю при спіканні через наявність на їх поверхні плівки трудновосстановімих оксидів, проводять активацію спікання. З цією метою для активації процесів поверхневого перенесення речовини при спіканні заготовок у середу спікання вводять хлоро-або бромоводород. Після спікання відносна щільність заготовок досягає 90-95%. Для отримання виробів з більш високою відносною щільністю застосовують гаряче або газостатіческое пресування, режими яких практично не відрізняються від режимів отримання виробів із сплавів на основі титану.