Условия эксплуатации:
1) в котлотурбостроении – при более высоких температурах, больших давлениях перегретого пара и более агрессивных газовых средах, чем для перлитных сталей;
2) в двигателестроении – для деталей газотурбинного двигателя (ГТД), работающих в сложных условиях нагружения: статические растягивающие и изгибающие нагрузки, циклические и динамические нагрузки, газовая коррозия, резкие теплосмены.
Аустенитные стали по рабочей температуре и уровню жаропрочных свойств превосходят стали перлитного и мартенситного классов (рис. 3.13, рис. 3.14).Это обеспечивается как большей компактностью гранецентрированной кристаллической решетки, что затрудняет развитие диффузионных процессов, так и большей растворимостью легирующих элементов в аустените. Повышение жаропрочности может составлять до 40 %.
Рис. 3.13. Рабочие температуры жаропрочных сталей различных структурных классов и типов упрочнения: П – перлитный; М – мартенситный с карбидным упрочнением; А – аустенитный «гомогенный»; А+К – аустенитный с карбидным упрочнением; А+И – аустенитный с интерметаллидным упрочнением
Аустенитные стали содержат 11–27 % хрома, 9–29 % никеля, до 0,4 % углерода и могут быть легированы элементами: Ti, Nb, Mo, Al, W. В зависимости от типа основной упрочняющей фазы стали подразделяются на 3 подгруппы:
1. Однофазные (гомогенные) стали типа 12Х18Н9Т, не упрочняемые термической обработкой;
2. Стали с карбидным упрочнением (45Х14Н14В2М, 37Х12Н8Г8МФБ);
3. Стали с интерметаллидным упрочнением (10Х11Н20Т3Р).
Однофазные аустенитные стали обычно называют «гомогенными». Они имеют твердорастворное упрочнение; титан добавляется для образования карбида и предотвращения межкристаллитной коррозии.
Аустенитные стали с карбидным упрочнением имеют повышенное содержание углерода (до 0,5 %). Термическая обработка заключается в закалке на пересыщенный твердый раствор от температур 1150–1200°С и последующем старении при 650–800°С, во время которого из аустенита выделяется карбид (Сг,Ме)23С6; возможно также образование карбида VC (часто эту термообработку называют «отпуском»). Таким образом, в этих сталях, по сравнению с гомогенными, реализуется, кроме твердорастворного, еще один механизм упрочнения – дисперсионное твердение за счет частиц карбида. Поэтому детали из этих сталей (рабочие лопатки газовых турбин, диски, роторы, крепежные детали) работают при более высоких температурах и напряжениях. Рабочая температура аустенитных сталей с карбидным упрочнением достигает 750°С, что на 100°С превышает рабочую температуру гомогенных сталей.
Рис. 3.14. Предел 100-часовой длительной прочности жаропрочных сталей различных структурных классов и типов упрочнения
Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением содержат больше никеля, легированы титаном и алюминием; они являются самыми жаропрочными в группе аустенитных сталей. Титан и алюминий имеют переменную растворимость в хромоникелевом аустените, поэтому после закалки с температурой 1080–1150ºС образуется пересыщенный твердый раствор, из которого при старении (750–850ºС) выделяется интерметаллическая фаза γ΄- Ni3 (Ti, Al). Стали, упрочненные γ΄- фазой, более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением по следующим причинам:
– количество γ΄- фазы, образующейся при старении, больше, чем количество карбида (8–10 % по сравнению с 1,3–3 %);
– частицы γ΄ - фазы когерентно связаны с матрицей, потому что у них близкие периоды кристаллических решеток; когерентная граница является дополнительным препятствием для перемещения дислокаций;
– частицы γ΄- фазы более дисперсны, чем частицы карбида.
К недостаткам сталей аустенитного класса следует отнести их высокую стоимость, меньшую термостойкость (из-за более высокого коэффициента линейного расширения и более низкой теплопроводности). Стали с карбидным упрочнением из-за высокого содержания углерода плохо свариваются.