книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

Сплав ЭИ437Б применяется для изготовления лопаток газо­

вой турбины и турбинных дисков. При температуре 800° предел ползучести сплава σo2ι00 =17 кг/'мм2, предел длительной

прочности σιoo = 2O кг]мм2, а при температуре 700° — соответст­ венно — 40 и 42 кг/мм2. Сплав подвергается ковке, прокатке и

штамповке.

Сплав ЭИ617 применяется для изготовления лопаток газовой

повке, хорошо сваривается всеми видами сварки. Сплав облада­

ет высокой жаростойкостью; при 100-часовых испытаниях в воз­

душной среде привес составляет: при HOOo — 0,365 г]м2час и

0,145 г]м2час с покрытием эмалью.

Сплав ЛК4 применяется для сопловых лопаток газовой тур­ бины методом прецизионного литья. Заливка металла в керами­

с трудом. Термической обработке сплав не подвергается. Сплав

имеет дендритное строение, характерное для литого состояния.

100

XI. ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

К тугоплавким металлам относятся: вольфрам, рений, тан­ тал, молибден, ниобий и хром. Это самые тугоплавкие металлы.

Физико-механические свойства этих металлов, а также железа и

никеля для сравнения приведены в табл. 16.

Перспективными из этих металлов являются хром, ниобий,

молибден и вольфрам. Распространение тугоплавких металлов в земной коре по отношению к меди приведено в табл. 17.

Последние годы тугоплавкие металлы получают все большее

применение в качестве основы для новых жаропрочных сплавов.

Согласно литературным данным прочность сплавов на осно­ ве тугоплавких металлов в зависимости от температуры приве­

основе хрома, не приведенных на данном графике,—всего лишь

5 ка/жж2. Сплавы на основе никеля при этой температуре нахо­

дятся в расплавленном состоянии.

Чтобы показать преимущества сплавов на основе тугоплав­

ких металлов, на фиг. 77 приведены рабочие температуры раз­

личных металлических материалов и перспективы их развития.

Из приведенных данных видно, что по рабочим температу­ рам материалы на основе тугоплавких металлов намного пре­ восходят жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта.

Рассмотрим кратко некоторые жаропрочные сплавы на осно­ ве хрома, ниобия, молибдена и вольфрама.

101

102

Фиг. 77. Рабочие температуры металлических материалов и перспективы их развития

1. Хром и его сплавы

Чистый хром — это металл серебристого цвета. Из всех ме­

таллов хром является наиболее твердым и коррозионно стойким;

его поверхность ярко-серебристого цвета на воздухе при обыч­ ных температурах не изменяется. Высокая коррозионная стой­ кость хрома объясняется наличием поверхностной окисной плен­

ки (⅛O3, которая предохраняет его от действия агрессивных

сред и от окисления при повышенных температурах.

Хромовые сплавы BXl и ВХ2, разработанные в последние

годы советскими учеными ,* изготавливаются в литом состоя­

нии, а также в деформированном в виде прутков, листов', поко­ вок. и штамповок.

Термическая обработка хромовых сплавов, заключающаяся

в высокотемпературном и низкотемпературном отжигах, произ­

водится в заготовках в вакуумных .печах или в атмоафере водо­

рода.

Хромовые сплавы удовлетворительно обрабатываются реза­

нием, однако шлифовку и резку абразивами применять не сле­ дует, так как при обработке их абразивами возникают поверх­

ностные трещины.

* Хромовые сплавы BXl и ВХ2, а также рассматриваемые ниже ниобие­ вые BHl и ВН2 и молибденовые BMl и ВМ2 разработаны А. С. Строе­ вым, И. О. П а н а с ю к, Е. С. Овсенян и Г. В. Захаровой.

103 ⅛

Длительная прочность и прочность за разное время до раз­

Таблица 20

Прочность за разное время до разрушения сплава BXl

Фиг. 79. Длительная прочность сплавов^ВХІ иВХ2 при температурах 1030 и 1150°

105

В окислителях на основе азотной кислоты хромовые сплавы

При длительной работе выше 700° в результате поглощения

азота сплав BXl охрупчивается, что объясняется образованием

нитридов — CrN и Cr2N. C целью предотвращения указанного явления на поверхность деталей рекомендуется электролитиче­ ским методом наносить слой никеля толщиной 50—60 мк. Нике­ левая защита эффективно действует до 1150—1200° в течение

более 100 часов. У хромовых сплавов, содержащих легирующие элементы, охрупчивания не наблюдается.

Хромовые сплавы могут применяться для деталей, длитель­

но работающих в окислительной газовой атмосфере и других

агрессивных средах при HOO—1150° и кратковременно — при

1500—1600°, особенно, когда по условиям работы применение

деталей с поверхностной защитой от коррозии исключается.

2. Ниобий и его сплавы

Чистый ниобий (колумбий) — это металл серо-стального цве­

та, обладающий низким коэффициентом захвата нейтронов, что делает его перспективным в атомной энергетике. По механиче­

ским свойствам ниобий является малопрочным, но весьма пла­ стичным металлом. Литой ниобий легко поддается ковке, штам­

повке, прокатке, волочению. Из него легко изготавливаются

листы малой толщины, тонкая проволока и малого размера

трубки. По обработке давлением ниобий сходен с никелем. Нио­

бий хорошо сваривается; сварку рекомендуется производить в атмосфере аргона. Ниобий легко обрабатывается резанием, обладает высокой сопротивляемостью эрозии под действием по­ тока жидкости или газа, протекающего с большой скоростью,

износ ниобия является весьма незначительным.

В коррозионном отношении ниобий является устойчивым

металлом. По отношению к действию концентрированных кислот

(азотной, серной и соляной), аммиака и насыщенного раствора

хлористого натрия при обычной температуре он является стой­ ким.' В концентрированных горячих щелочах и насыщенном растворе хромпика он быстро растворяется, является нестойким

в плавиковой кислоте. На воздухе выше 300° ниобий заметно

окисляется. В расплавленном состоянии ниобий стоек до 600— 700°.

Металлический ниобий применяется для изготовления анодов,

сеток, катодов и других деталей электровакуумной техники, а

также ряда деталей химического аппаратостроения и атомной энергетики.

106

Обладая кислотоупорностью и большой коррозионной стой­

костью, ниобий применяется в качестве защитного покрытия на деталях из металлических сплавов и неметаллических материа­

с другими тугоплавкими металлами.

Наиболее перспективными являются ниобиевые сплавы, леги­

рованные молибденом, вольфрамом, ванадием, титаном и танта­

лом, образующими с ниобием неограниченные твердые растворы

с добавлением алюминия, хрома, циркония, кремния и бора, ко­

торые как в чистом виде, так и в форме металлических соеди­ нений, играют роль упрочнителей.

Из сплавов, описанных в иностранной литературе, наиболь­

шее промышленное применение получили сплавы F-80 и F-82;

первый в качестве легирующих элементов содержит только цир­

коний, а второй — тантал и цирконий.

Эти сплавы выпускаются в виде слитков, поковок, профилей, прутков, листов, плит и фасонных деталей. Сплавы хорошо сва­

держит дополнительно 5%. титана. Титан вводится для повыше­

ния сопротивления окислению.

В зарубежной технике успешно применяют ниобиевые спла­

вы для деталей турбин, работающих при температурах 1100 —

107

Из отечественных ниобиевых сплавов следует отметить спла­ вы BHl и ВН2. Сплав BHl относится к чистому ниобию. Высо­

кожаропрочный деформируемый сплав ВН2 рекомендуется для

работы при температурах до 1500°. Однако использование его при этих температурах требует защиты от окисления. В обыч­

ных условиях работы на воздухе он устойчив только до 400°.

Механические свойства ниобиевого сплава ВН2 при разных температурах приведены в табл. 21.

Изменение механических свойств ниобиевых сплавов BHl и ВН2 в зависимости от температуры приведено на фиг. 80.

Фиг. 80. Механические свойства ниобиевых сплавов BHl и ВН2 при разных температурах

Сплавы BHl и ВН2 выпускаются в виде листов, труб и штам­ пованных изделий. Сплавы хорошо деформируются в холодном

состоянии, свариваются аргоно-дуговой и контактной сваркой.

Сплавы могут быть рекомендованы для сварных деталей ле­

тательных аппаратов до температуры порядка 1500°. Однако

использование этих сплавов при высоких температурах в аппа­

ратах многоразового действия требует специальной защиты.

3. Молибден и его сплавы

Молибден — это металл серого цвета. Наиболее ценным ка­

чеством молибдена является его способность сохранять механи­

ческие свойства до температуры порядка 1000°.

Промышленное производство молибдена представляет боль­ шие трудности вследствие его высокой температуры плавления и легкой окисляемости, связанной с образованием легкоплавко­

го и летучего окисла МоОз. При обычной температуре молиб­

ден устойчив.

108

Получают молибден методом порошковой металлургии. Чис­ тота такого молибдена составляет 99,95%. Для получения более чистого молибдена его переплавляют в вакуумных электродуговых печах, электродами которых и являются спрессованные и

спеченные штабики молибдена.

Переплавленный молибден легко поддается ковке, штампов­ ке, прокатке. Из чистого молибдена получают листы толщиной до 0,1 мм, проволоку, трубки диаметром 1,2 мм и толщиной стен­

ки 0,1 мм.

Исследование деформируемости молибденовых сплавов по­ казало, что способными к деформации являются только его твер­

дые растворы.

Оказалось, что введение малых количеств'(до 1%) многих

легирующих элементов приводит к понижению твердости. Это

связано с тем, что эти элементы являются раскислителями.

Важным является предельное содержание легирующих эле­

ментов, при котором молибденовые сплавы могут коваться. Для

сохранения ковкости в молибденовые литые сплавы можно вво­ дить не более 0,8% алюминия, 2,0% хрома, 0,3% кобальта,

0,3%' железа, 0,05% никеля, 0,03% кремния. В спеченные мо­

либденовые сплавы можно вводить большие количества леги­ рующих элементов, не ограничивая способности к деформации.

Оказалось, что при одном и том же содержании легирующих

элементов твердость молибденовых сплавов будет тем выше,

чем меньше растворимость легирующего элемента в молибдене. Наибольшее повышение твердости дает легирование молибдена

бором и кремнием. В меньшей мере повышают твердость молиб­

дена никель, кобальт, железо, алюминий, хром, цирконий. Незна­ чительное влияние на твердость молибдена оказывают ванадий,

титан, ниобий и тантал.

Выяснено, что легирование молибдена в значительных коли­

чествах возможно только вольфрамом и танталом. Содержание

других легирующих элементов в деформируемых молибдено­

вых сплавах обычно не может превышать 1%.

Молибденовые сплавы обладают высокими характеристика­ ми жаропрочности при температурах выше 1000°. Исследования показали, что литые кованые сплавы обладают более высокой

жаропрочностью, чем порошковые деформированные сплавы того же состава.

Для повышения жаропрочности наиболее эффективными ле­

гирующими элементами являются: цирконий, титан, ниобий.

Циркония в среднем вводят 0,1%, титана — 0,5% и ниобия

— 0,75%. Выяснено также, что в деформированном состоянии жаропрочность молибдена и его сплавов выше, чем в рекристал­

лизованном.

Длительная прочность ряда наиболее жаропрочных молиб­

деновых сплавов приведена в табл. 22.

109-