2. Основные группы жаропрочных материалов

Перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали ис­пользуют при 450 — 700 °С; по масштабам применения они занимают веду­щее место среди жаропрочных материалов. Ниже 450 °С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаро­прочными.

Жаропрочные сплавы на основе алюминия, магния и титана легче сталей, однако они менее жаропрочны. Используют их при следующих температурах (табл. 15.6): сплавы алюминия до 300 — 350°С (исключе­нием являются сплавы САП, которые можно применять до 500 — 550°С); сплавы магния до 300 — 350 °С; сплавы титана до 500 — 600 °С. Указанные сплавы, несмотря на более высокую стоимость, применяют там, где из- за повышенных эксплуатационных температур невозможно использовать обычные сплавы этих металлов и нельзя применять стали из-за более вы­сокой плотности.

Таблица 15.6. ^Жаропрочность сплавов на основе алюминия, магния, титана

Марка сплава,	Содержания легирующих элементов, %	Температура, °С		аюо, МПа
		рекомендуемая (применения)	испытания
	Сплавы на основе алюминия
Д20	6,ЗСи; 0,6Мп; 0.15Т1	250 - 300	300	80
АК4-1	2,ЗСи; 1,6Ме; 1,1Ге;	250-300	300	45
	1,1Ш; до 0,1Т1
САП-1	6-9 А120з	300-500	500	45
АМ5	4,9Си; 0,8Мп; 0.25Т1	250 - 300	300	65
	Сплавы на основе магния
МА12	2,5- 3,51Чс1; 0,52г	150 - 200	200	~ 100
МЛ11	2,5-4 РЗМ; 0,72г; 0,52п	200 - 250	250	50
МЛ19	1,6 - 2,314(1; 0,62п; 0,72г; 1,7У	250 - 300	300	50
	Сплавы на основе титана
ВТЗ-1	6А1; 2,5Мо; 0,5Ге; 0,2581	350-400	400	800
ВТ6	6,25А1; 4У	400 - 450	-	-
ВТ8	6,5А1; 3,ЗМо; 0,381	450 - 500	500	500
ВТ9	6,5А1; 3,ЗМо; 0,2581; 1,62г	500 - 550	550	400
ВТ18	7,5А1; 112г; 0,7Мо;	550- 600	600	200
	ШЬ; 0,381

Сплавы на основе никеля или кобальта жаропрочнее сталей. Первые применяют при 700 - 1000 °С, а вторые не получили широкого распро­странения из-за дефицитности.

Тугоплавкие металлы и их сплавы, керамика на основе 81С и 813X4, графит — это материалы с высокой жаропрочностью, применяемые при температуре выше 1000°С.

Перли тные стали

Перлитные стали предназначены для длительной эксплуатации при 450 — 580 °С; используют их главным образом в котлостроении. Крите­рием жаропрочности для них является предел ползучести с допустимой деформацией 1 % за 10⁴ или 10⁵ ч. Жаропрочность перлитных сталей обеспечивается выбором рационального химического состава и получен­ной в результате термической обработки структуры легированного фер­рита с равномерно распределенными в нем частицами карбидов.

Перлитные жаропрочные стали являются низкоуглеродистыми, со­держат от 0,08 до 0,15 % С (иногда концентрацию углерода повышают до 0,2 - 0,3 %) и не более 2 - 3 % карбидообразующих элементов, из которых самые важные — Мо, Сг и V (табл. 15.7) (12Х1МФ, 25Х2М1Ф).

Оптимальной термической обработкой являются нормализация после нагрева до ~ 1000 °С и последующий отпуск при 650 — 750 °С в течение 2 - 3 ч.

Для перлитных жаропрочных сталей особенно важна стабильность исходной структуры н свойств, так как изготовленные из них трубы и другие части теплоэнергетических установок эксплуатируются годами. В исходном состоянии основная масса молибдена находится в феррите, а ванадий, хром и углерод — в карбидах типа МеС.

В условиях длительной эксплуатации происходит изменение хими­ческого состава феррита и карбидов; сфероидизация и рост карбидных частиц; графитизация — разложение карбидов с выделением свободного графита. Особенно опасна графитизация, так как образование графита приводит к аварийным разрушениям. Наиболее устойчив против графи- тизации карбид Ме С, а наименее стоек — карбид Мез С. Легирование ванадием и хромом, а также отпуск после нормализации увеличивают термическую устойчивость карбидов и стабилизируют свойства материа­ла.

Перлитные стали пластичны в холодном состоянии, удовлетворитель­но обрабатываются резанием и свариваются. По теплопроводности и те­пловому расширению они близки к обычным конструкционным сталям.

Стали, содержащие 0,12 - 0,15 % С, используют в паросиловых уста­новках для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других деталей, температура эксплуатации которых не превышает 570— 580 °С.

		Содержание	Температура, °С		Жаропрочные		свойства
Марка	Группа	легирующих	максимальная	начала	егюооо	^1/100000	температура
		элементов, %	рабочая	интенсивного окисления	МПа		испытания, °С
12Х1МФ	Перлитные стали	0.12С; 1,1 Сг; 0,ЗМо; 0,2У	570- 585	600	140	84	560
25Х2М1Ф		0,25С; 2,ЗСг; Шо; 0,4У	520- 550	600	160 - 220	70	550
15Х5М	Мартен-	До 0.15С; 5,2Сг; 0,5Мо	600	650	100	40	540
40Х10С2М	ситные стали	0,4С; ЮСг; 2,231; 0,8Мо	650	850	100	40	550
15Х11МФ		0,15С; 11Сг; 0,7Мо; 0,ЗУ	550- 580	750	200	90	550
11Х11Н2В2МФ		0,11С; ИСг; 1,7Хг; 1,8\У; 0,4Мо; 0,25У	600	750	400*1	—	550
12Х18Н10Т	Аустенит­ные стали	До 0,12С; 18Сг; ЮШ; 0,5Т1	600	850	80-100	30-40	660
45Х14Н14В2М		0,45С; 14Сг; 14РИ; 2,4\У; 0,ЗМо	650	850	130	40	650
10Х11Н20ТЗР		До 0,ЮС; ИСг; 20X1; 2,6Т1; 0,02В	700	850	400*2	—	700
ХН77ТЮР	Никелевые сплавы	До 0,07С; 20Сг; 2,6Т1; 0,8А1; до 0,01В	750	1050	110-200	200*3	750
ХН55ВМТКЮ *1О'100- *2 СГвО	*3 #4 ■ ^1/1000•	0,ЮС; ЮСг; 5Мо; 4,9\У; 14Со; 4.5А1; 1,611 «Гюоо.	950	1050	150*4	130*3	900

Перлитные стали с повышенным содержанием углерода (0,25 - 0,30 %) по жаропрочности уступают перлитным сталям, содержащим 0,12 - 0,15 %, и поэтому для них установлены максимальные температуры длительной эксплуатации, равные 525 — 565°С. Из этих сталей изгото­вляют валы и цельнокованые роторы стационарных и транспортных па­ровых турбин, плоские пружины и крепежные детали. Перлитные стали широко применяют благодаря невысокой стоимости, технологичности и удовлетворительной жаропрочности.

Мартенситные стали

Мартенситные стали предназначены для изделий, работающих при 450 — 600 °С; от перлитных они отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов. По своей жаропрочно­сти эти стали немного превосходят перлитные. Критерий жаропрочности мартенситных сталей — предел ползучести с допустимой деформацией 0,1 % за 10⁴ ч или 1 % за 10⁵ ч.

Различают две группы мартенситных сталей:

1. стали с содержанием хрома 10 - 12 %, добавками Мо, V, N5, и низким (0,10 - 0,15%) содержанием углерода;

2. сильхромы с содержанием хрома 5-10%, добавками кремния в количестве до 2 - 3 % и повышенным содержанием углерода (до 0,4 %).

Стали первой группы используют в термически обработанном состо­янии. Оптимальная термическая обработка заключается в закалке или нормализации после нагрева до 950— 1100 °С (для растворения карбидов) и отпуске при 600 — 740°С. Структура термически обработанной ста­ли — смесь легированного феррита и мелких карбидов — обеспечивает необходимую жаропрочность, сопротивление коррозии и релаксационную стойкость. Благодаря высокому содержанию легирующих элементов ста­ли глубоко прокаливаются даже при нормализации (до 120 - 200 мм) и поэтому более пригодны для деталей крупных сечений, чем перлитные стали. При высоком содержании хрома (10 - 12 %) и других феррито­образующих элементов и низком содержании углерода стали становятся мартенситно-ферритными. Количество неупрочняемого при термической обработке феррита невелико, по жаропрочным свойствам мартенситные и мартенситно-ферритные стали близки. При длительной эксплуатации они могут применяться до 600 °С. Мартенситные стали данной группы имеют разнообразное применение в паровых турбинах: из них изготовляют дис­ки, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы, а также трубы и крепежные детали.

Стали второй группы — сильхромы — характеризуются повышен­ной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используют­ся для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания. Опти­мальные свойства сильхромы имеют после обработки на сорбит. Так, сталь 40Х10С2М закаливают после нагрева до 1030 °С и отпускают при 720 — 780 °С. Чем больше содержание хрома и кремния в стали, тем выше ее рабочая температура. Жаропрочность сильхромов позволяет приме­нять их при температурах не выше 600 — 650 °С; при более сложных усло­виях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготовляют из аусте­нитных сталей. Сильхромы не содержат дорогих легирующих элементов и используются не только для клапанов двигателей, но и для крепеж­ных деталей моторов. Технологические свойства сильхромов хуже, чем у перлитных сталей. Особенно затруднена их сварка, требуются подогрев перед сваркой и последующая термическая обработка.

Аустенитные стали

Аустенитные стали по жаропрочности превосходят перлитные и мар­тенситные стали, используют их при температурах выше 600°С. Основ­ные легирующие элементы — хром и никель. Соотношение между ними и железом выбирают таким, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Иногда никель заменяют другими аустенитообразующими элементами — марганцем, азотом. Ферритообра­зующие элементы Мо, N0, Т1, А1, XV и другие вводят в стали для повы­шения жаропрочности; они образуют карбиды или промежуточные фазы. Аустенитные стали содержат, как правило, ~ 0,1 % С и лишь иногда до 0,4% С.

Аустенитные жаропрочные стали подразделяют на три группы:

1. однофазные стали, не упрочняемые термической обработкой;

2. стали с карбидным упрочнением;

3. стали с интерметаллидным упрочнением.

Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аусте­нита с незначительным содержанием карбонитридов титана или ниобия (для предупреждения межкристаллитной коррозии). Такая структура по­лучается после закалки от 1020 — 1100 °С. Стали этой группы применяют как жаропрочные в теплоэнергетике (например, 12Х18Н10Т).

Жаропрочность однофазных сталей увеличивают при помощи на­клепа, пользуясь тем, что температура рекристаллизации аустенитных сталей высока (~ 1000 °С). Другой путь повышения жаропрочности — со­здание полигонизованной структуры. Сталь после небольшой пластиче­ской деформации (до 20 %) нагревают для перераспределения дислокаций и образования малоугловых границ в зернах. Оба вида обработок приме­нимы лишь для деталей наиболее простой формы, например турбинных дисков.

Аустенитные стали с карбидным упрочнением обычно содержат не­сколько карбидообразующих элементов: Мо, Т1, N0, V, а также В —

для обеспечения наивысшей жаропрочности. Из-за высокого содержания ферритообразующих элементов содержание никеля повышают до 14%. Оптимальная структура получается после закалки от 1100 — 1150 °С и старения полученного аустенита при 700 — 800 °С для выделения карби­дов.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением — самые жа­ропрочные. Для повышения жаропрочности аустенита стали легируют Сг, Мо, \У, добавки А1, ^ГЛ, N5 и Та служат для формирования выделений упрочняющей фазы типа ШзА1. Их упрочняют закалкой и старением. На­пример, сталь 10Х11Н20ТЗР закаливают от 1100 — 1170 °С и старят при 700 — 750 °С в течение 15 - 25 ч.

Аустенитные стали охрупчиваются при эксплуатации из-за выделе­ния избыточных фаз по границам зерен и особенно после образования хрупкой сг-фазы в интервале 600 — 750 °С. Чем больше хрома и молиб­дена содержит сталь, тем больше в ней появляется сг-фазы и тем сильнее охрупчивание. Для растворения образовавшейся сг-фазы проводят допол­нительную термическую обработку после некоторого срока службы детали и тем самым устраняют охрупчивание и восстанавливают первоначаль­ные свойства.

Аустенитные стали отличаются большой пластичностью, хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее об­рабатываются давлением и резанием.

Жаропрочные никелевые сплавы

Жаропрочные никелевые сплавы содержат, как правило, 10 - 12 % Сг и такие элементы, как \\', Мо, V, Со, А1, Т1, В и др.

Мо, \\', Со, Сг упрочняют матричный твердый раствор на основе никеля; А1 и Т1 вместе с Ш образуют метастабильную 7^;-фазу с такой же структурой, как и матричный раствор (ГЦК); углерод в количестве до 0,1 - 0,15 % формирует дисперсные карбиды на границах зерен.

Термическая обработка сплавов заключается в закалке и старении. Детали нагревают до 1150 — 1250 °С для получения однородного раствора и охлаждают на воздухе. За время охлаждения внутри твердого раство­ра происходит перераспределение атомов алюминия и титана, образуются малые объемы, обогащенные этими элементами. При старении в этих объемах возникают частицы 7^;-фазы, когерентные с матричным твердым раствором. Периоды решеток 7- и 7^;-фаз отличаются незначительно (все­го на ~ 0,1 %), поэтому полученная метастабильная структура сохраня­ется при высоких температурах в течение 20000 - 30000 ч.

Частицы 7^;-фазы имеют размеры 20 - 40 нм, а ее содержание, в зави­симости от легирования, доходит до 20 - 50 %. Переход метастабильной 7'-фазы в стабильную фазу ГД3Т1 означает утрату когерентности, укруп­нение частиц второй фазы и значительную потерю жаропрочности.

Никелевые жаропрочные сплавы широко применяют благодаря их высокой прочности, коррозионной стойкости и жаропрочности. Помимо основного назначения — изготовления лопаток и других ответственных деталей современных газотурбинных двигателей, эти сплавы применяют для производства штампов и матриц горячего деформирования металлов. Их используют при температурах от 750°С, но не выше 950 — 1000°С. В наиболее жаропрочных сплавах, содержащих около 10 % Сг, недостаток жаростойкости исправляется химико-термической обработкой деталей, в частности алитированием и хромоалитированием. Жаропрочные никеле­вые сплавы с трудом подвергаются горячему деформированию и резанию. Как и аустенитные стали, они имеют низкую теплопроводность и значи­тельное тепловое расширение.

Тугоплавкие металлы и сплавы

К тугоплавким относят металлы, у которых температура плавления превышает 1700°С. Наибольшее применение получили металлы УА под­группы — V, N5, Та и металлы У1А подгруппы — Сг, Мо, \У. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высокими тем­пературами плавления, малым тепловым расширением, небольшой тепло­проводностью, повышенной жесткостью. Однако при высоких температу­рах все важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость — большой недостаток тугоплавких металлов.

По совокупности технологических свойств тугоплавкие металлы и их сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей обработки затруднены большим сопротивлением пластическому деформи­рованию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание за­грязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или вакууме и применяют для этих целей специальное, более сложное и доро­гое, чем обычное, оборудование.

Тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с примесями внедре­ния: кислородом, азотом, углеродом, а металлы УА подгруппы — еще и с водородом, с которым они легко образуют гидриды. Примеси внедре­ния охрупчивают тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой. В металлах технической чистоты допускается несколько сотых процента примесей. Этого достаточно, чтобы металлы У1А подгруппы при 25 °С оказались хрупкими. Порог хладноломкости у вольфрама находится около 300 °С, а у молибдена и хрома — в пределах 90 — 250 °С в зависимости от марки металла.

Металлы УА подгруппы имеют более высокую растворимость при­месей внедрения, поэтому при допустимом уровне примесей технически чистые металлы остаются пластичными и вязкими от 25 °С вплоть до —196 °С. При увеличении содержания примесей охрупчиваются и эти ме­таллы. Так, тантал после нагрева на воздухе при 400-600 °С становится хрупким. Когда содержание примесей внедрения превышает пределы их растворимости, рекристаллизация увеличивает хрупкость металла. Из­быток примесей внедрения сверх предела растворимости при рекристал­лизации выделяется в виде хрупких прослоек второй фазы по границам зерен. Этот недостаток проявляется у молибдена и вольфрама, имеющих низкую растворимость примесей внедрения, при горячей обработке давле­нием выше температуры рекристаллизации и при сварке.

Механические свойства тугоплавких металлов зависят от способа производства и содержания примесей. Повышение пластичности вольф­рама, молибдена и хрома является актуальной задачей. Добавки тита­на и циркония, а также редкоземельных металлов используют как основ­ной способ повышения пластичности тугоплавких сплавов. Эти добавки активно соединяются с примесями внедрения и выводят их из твердого раствора. Образовавшиеся частицы соединений вредного влияния на пла­стичность не оказывают. Рений резко понижает порог хладноломкости Мо и \У. Сплавы вольфрама с рением пластичны при 25°С, однако Ке — очень дефицитный металл.

Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние благо­даря изменению тонкой структуры и характера взаимодействия приме­сей с кристаллической решеткой в наклепанном металле. По сравнению с хрупкими отожженными молибденом и вольфрамом высокопрочные на­клепанные проволоки и ленты из этих металлов не хрупки и при 25° С сохраняют пластичность, достаточную для их успешной навивки и гибки при изготовлении изделий.

В табл. 15.8 приведены свойства отожженных тугоплавких металлов. Разброс значений вызван изменением содержания примесей и различием в размерах зерен.

Таблица 15.8. Механические свойства тугоплавких металлов

Металл		При 25		°С		При 1100°С
	о-в	0-0,2		5	■ф	НВ		о-в	Оо,2		8, %
	МПа		%					МПа
Ванадий	200-220	100-115		25	75	80*		60‘	30‘		35 - 40*
Ниобий	200-350	120 - 260		25-50	60 -100	50-80		70	57		35-42
Тантал	200 - 400	180		50-70	95	90-125		120	57		43
Хром	270	190		0-3	0	90-100		25-85	-		-
Молибден	800-900	420 - 450		10-15	-	150 -170		175	110		70
Вольфрам	600- 1100	-		0	0	360 - 400		235	200		52

Примечание. Значения приведены для металлов технической чистоты в рекристаллизованном состоянии.

‘При 1000 °С.

Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две груп­пы: 1) сплавы со структурой твердого раствора; 2) сплавы, упрочняемые закалкой и старением.

Сплавы первой группы термической обработкой не упрочняются, со­держание легирующих элементов (Т1, 2г, N5, Мо, \\', Та, Ке) в них выби­рают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.

Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упроч­няющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен. Сплавы на основе ванадия и хрома — наименее жаропрочны, тем не ме­нее при 800 — 1000 °С сплавы ванадия превосходят железные и никелевые сплавы, а сплавы на основе хрома благодаря жаростойкости применимы до 1000 - 1100°С.

Сплавы на основе ниобия пригодны для использования до 1300 °С, а при кратковременной эксплуатации выдерживают температуры до 1500 °С. Их достоинство — небольшая плотность.

Т

Таблица 15.9. Механические свойства тугоплавких сплавов

	При 25 °С			При 1200°С
Сплав	егв	°0,2	6,%	^В,	6,%	<7100, МПа
	МПа			МПа

ВН2А (4,1Мо; 0,72г; < 0,08С)	800-900	620	4-5	240 - 260	-
ВН4 (9,5Мо; 1,52г; 0,ЗС)	810	730	16	550

Сплавы на основе ниобия

130 (при 1100 °С) 280 (при 1100 °С)

а-10XV

В

Сплавы на основе тантала

760	520-710	3,5	300 - 490	1,2
			105*1	ЗО*1

Сплавы на основе хрома

140 (при 1200 °С) 35 (при 1650 °С)

24 (при 1200 °С) 65 (при П00°С)

270	190	3	80	-
350	240	3	250	30
950	800	8	240*2	12*2

Сплавы на основе молибдена

800	680	10	340	14
800-860	-	0,03	550	12
840	-	2-8	130*3	-

80 - 90 (при 1200 °С) 250-270 (при 1300 °С)

Сплавы на основе вольфрама

ХТИ (до IV) ВХ2 (0,1511; 0,2У; IV)

ВХ4 (32№; 0,1511; 0,25У; 1,5\У)

ВМ1 (0,411;

< 0,01С)

ВМЗ (1,111; 0,52г; 0,4С; 1,41ЧЪ) Мо-40 Ее

XV-27 Ее	1400	-	4	700	12*3
XV-! 5 Мо	-	-	-	175	27*4

42 (при 1600 °С)

¹При 2000 °С. ’²При 1000 °С. *³При 1500 °С. *⁴ При 1600 °С.

Сплавы на основе молибдена можно использовать до 1300 — 1400 °С, на основе тантала — до 2000 °С, а на основе вольфрама — до 2000 — 2200°С (табл. 15.9). При температурах до 1900 — 2000°С многие сплавы на основе тугоплавких металлов более жаропрочны, чем вольфрам; выше 2000 — 2500 °С нелегированный вольфрам является самым жаропрочным

металлом.

Неметаллические жаропрочные материалы

Графит и специальная керамика — наиболее важные неметалличе­ские материалы, пригодные для службы при температурах выше 1000 °С. В этих материалах преобладает ковалентный тип связи, и поэтому лишь при температурах выше 0,8 /_пл быстро теряются жаропрочные свойства.

Графит — один из перспективных материалов высокой жаропроч­ности. Уникальной особенностью графита является увеличение модуля упругости и прочности при нагреве. До 2200 —2400 °С прочность графита повышается максимально на 60 %, и лишь при более высоких температу­рах он ее теряет. Графит, не плавясь, возгоняется при ~ 3800 °С. При нагреве графит мало расширяется, хорошо проводит теплоту и поэтому устойчив против тепловых ударов. Ползучесть у графита проявляется при температуре выше 1700 °С и характеризуется небольшой скоростью при 2300 — 2900 °С под действием напряжений 30 - 10 МПа соответствен­но. Серьезным недостатком графита является легкость окисления, уже при 520 - 560 °С потеря массы составляет 1 % за 24 ч, поэтому поверх­ность графитовых изделий защищают покрытиями.

Керамические материалы на основе 81С, 813N4 и системы 81 — А1 — О - ]Ч, являются легкими, прочными и износостойкими веществами. В ка­честве конструкционных жаропрочных материалов их начинают приме­нять в двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней, голо­вок блока цилиндров и других теплонапряженных деталей. Керамические детали способны работать при высоких температурах (813К4 до 1500 °С, 81С до 1800°С), стойки против коррозии и эрозии, не боятся перегрева и не нуждаются в принудительном охлаждении. В отличие от графита кера­мика меньше подвержена окислению и в несколько раз прочнее. Керамика изготовляется из недефицитных материалов. К недостаткам высокотемпе­ратурной керамики относятся хрупкость, сложность получения плотного беспористого материала и трудности изготовления деталей. В отличие от керамики графит легче прессуется в горячем состоянии и хорошо обраба­тывается резанием.