3.1.1.3. Краткая характеристика жаропрочных металлических материалов

Целый ряд отраслей промышленности базируется на использовании жаропрочных КМ (котло- и турбиностроение; производство ракетно-космической техники и др.).

Жаропрочность – способность материала сопротивляться пластическим деформациям и разрушению при высоких температурах. Из жаропрочных материалов изготавливаются детали машин, работающие при высоких температурах, при которых становится заметным явление ползучести материала.

Механическими характеристиками жаропрочных металлических материалов являются предел длительной прочности (_д) и предел ползучести (_п).

Предел длительной прочности _д – это напряжение, вызывающее разрушение металла при заданной температуре через определенный отрезок времени, например, ₁₀₀₀⁸⁵⁰= 200 МПа. Такая запись означает, что при напряжении _д = 200 МПа деталь, работая при t=850С, разрушится через 1000 часов работы.

Предел ползучести _п характеризуется напряжением, вызывающим при данной температуре определенную величину деформации (например 0,5%) при нагружении детали в течение заданного отрезка времени (обычно не менее 500 часов). Например, запись _0,5/1000⁷⁰⁰= 150 МПа означает, что напряжение 150 МПа при t=700С вызывает в примененном Ме деформацию 0,5% за 1000 часов. Понятно, что жаропрочности металлов и сплавов различной природы будут различны.

Краткая характеристика жаропрочных сталей и сплавов

Для изготовления деталей, работающих при температурах до 550С, используются легированные стали перлитного класса, содержащие в своем составе Cr, Mo, V и подвергнутые термообработке. Примерами таких сталей являются 12МХ и 12ХМФ. Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью.

Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки, применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 4Х9С2, Х6С, Х10С2М. Эти стали могут работать при t=500 – 600С.

В случае более высоких рабочих температур (600 – 700С) применяются легированные стали аустенитного класса: Х18Н10Т, 4Х12Н8Г8МБФ, 4Х14Н14В2М и др.

Никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы

Эти материалы применяются в основном для изготовления лопаток турбин реактивных двигателей, которые работают при t=700 – 900С. Гомогенные никелевые сплавы (нихромы, инконели) служат жаростойкими материалами, а стареющие сплавы (нимоники) имеют высокую жаропрочность.

Нимоники основного состава представляют собой четверной сплав Ni-Cr-Ti-Al (Cr20%; Ti2%; Al1%; Ni-остальное). Нимоники применяют в термически обработанном состоянии.

Тугоплавкие металлы и сплавы

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 1000⁰C, являются тугоплавкие металлы и сплавы на их основе.

Температуры плавления основных тугоплавких металлов приведены ниже:

Металл	Cr	Nb	Mo	Ta	W
tплавления, ºC	1890	2477	2620	3014	3400

Высокая жаропрочность указанных металлов обусловлена большой величиной энергии межатомных связей (в кристаллической решетке) и высокими температурами рекристаллизации.

Наибольшее применение из тугоплавких металлов находят Mo и Nb, обладающие удовлетворительными технологическими свойствами и имеющие достаточно низкую температуру хрупкости (в интервале от +100C до –100 C).

Дополнительное повышение жаропрочности Mo (от 1100 до 1400C) достигается созданием сплавов Mo с 0,5% Ti; 0,03% С; 0,05% Zr.

Ниобий имеет относительно невысокие показатели жаропрочности при t=1100 – 1200 С, которые существенно повышаются путем создания сплавов с W, Zr, Ta.

Для изготовления деталей, работающих при t > 1600C (и даже до 2200C), пригоден вольфрам. Повышение жаропрочности W достигается спеканием его с 1 – 2% ThО₂ или 4% TaC. Основной недостаток W – очень плохие технологические свойства (плохая штампуемость, большая хрупкость). Присадка Re положительно влияет на технологические и механические свойства W.

Большим недостатком тугоплавких металлов является их малая жаростойкость (во много раз меньше, чем, например, у стали 10Х18В9Т).

Жаростойкость (жароупорность, окалиностойкость) – способность металлических материалов противостоять химическому разрушению (газовой коррозии) их поверхности под действием воздуха или другой окислительной газовой среды при высоких температурах.

Ввиду этого обязательным условием при использовании тугоплавких металлов является их защита от окисления различными методами (блокированием Mo нимоником; нанесением покрытия типа Si-Al-Cr путем распыления и др.).