коля / u_course

▪есть возможность получения пустотелых водоохлаждаемых лопаток;

▪позволяют получить направленно закристаллизованные и монокристаллические структуры.

Основной недостаток литейных сплавов – пониженная пластичность, особенно в интервале рабочих температур.

По химическому составу жаропрочные литейные сплавы близки к высокожаропрочным деформируемым сплавам: те и другие сплавы содержат одни и те же легирующие элементы: Сr, Al, Ti, Mo, W и в некоторых случаях Со и V (см. табл. 8.2).

Структура литейных сплавов представлена γ-твердым раствором, γ'-фазой, количество которой может доходить до 50–60 %, карбидами, карбонитридами и боридами. Из-за ликвации легирующие элементы неоднородно распределяются по объему зерна. При высокотемпературном нагреве под закалку последствия дендритной ликвации частично устраняются, что способствует более равномерному распределению γ'-фазы, выделяющейся при последующем старении.

В зависимости от легирования и режимов термической обработки в литейных сплавах формируются различные карбиды. Титан образует с углеродом малорастворимые карбиды типа TiC, а в присутствии азота – карбонитриды Ti(C, N). Карбиды титана образуют с никелем эвтектику, которая располагается в междендритных пространствах. Помимо TiC встреча-

ются и сложные карбиды других металлов. Боридные фазы типа Сr3В2, а также более сложные бориды (Мо, W)nCrmB2 или (Mo, W, Сr)3В2 скапливаются на границах зерен.

Наиболее известны жаропрочные литейные сплавы серии ЖС: ЖСЗ, ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф (см. табл. 8.2). Сплавы серии ЖС легированы γ'-образующими элементами (Al, Ti, Nb, V), с которыми связано формирование γ'-фазы, и γ-стабилизирующими элементами (Сr, Мо, W), растворяющимися преимущественно в γ -твердом растворе. На первом этапе разработки этих сплавов содержание легирующих элементов выбиралось таким образом, чтобы при нагреве под закалку происходило полное растворение γ'-фазы. В настоящее время в наиболее сильно легированных сплавах серии ЖС допускается некоторое количество эвтектики (γ + γ') +

+карбиды МеС, а также первичных кристаллов γ'-фазы.

Первым в этой серии был разработан сплав ЖСЗ. Сплав ЖС6 отличается от ЖСЗ меньшим содержанием хрома и большим содержанием всех остальных легирующих элементов; сплав ЖС6К в дополнение к этому легирован кобальтом. Сплав ЖС6У имеет повышенное содержание вольфрама (9–11 %) и пониженное содержание молибдена (1,2–2,4 %).

Сплав ЖС6К предназначен для изготовления деталей, работающих при температурах газа 800–1050 оС. Сплав подвергают гомогенизации при

269

температурах 1210–1230 оС, а затем подвергают старению при 950 оС в течение 2 ч. В большинстве случаев ограничиваются только нагревом при высоких температурах с последующим охлаждением на воздухе, так как уже в процессе охлаждения на воздухе образуются дисперсные выделения γ'-фазы. Микроструктура сплава ЖС6К после закалки и старения представлена γ-фазой, сравнительно крупными частицами γ'-фазы, образовавшимися при кристаллизации и не полностью растворившимися при нагреве под гомогенизацию, и более мелкими, почти кубической формы, выделениями γ'-фазы, сформировавшимися при охлаждении. Общее содержание γ'-фазы составляет около 45 %. В результате улучшения технологии выплавки удалось существенно повысить технологическую пластичность сплава ЖС6К, так что из него стали изготовлять деформированные полуфабрикаты (в этом случае его маркируют ЖС6КП).

Еще выше жаропрочность у сплава ЖС6У, который может иметь равноосную или направленную структуру, полученную методом направленной кристаллизации; в последнем случае его маркируют как ЖС6УН. Сточасовая длительная прочность сплава ЖС6У с равноосной структурой при температурах до 1100 оС на 20–30 МПа больше длительной прочности сплава ЖС6К. Методом направленной кристаллизации можно дополнительно повысить длительную прочность еще на 20–30 МПа. Пластичность сплава ЖС6У низка, особенно при высоких температурах, его относительное удлинение составляет 5 % при 20 оС и 2 % при 900 оС.

Более высокая длительная прочность сплава ЖС6У по сравнению с ЖС6К обусловлена большим суммарным содержанием легирующих элементов, что приводит к упрочнению γ-твердого раствора и стабилизации γ'-фазы. Большое и примерно одинаковое содержание вольфрама в γ- и γ'-фазах замедляет диффузионные процессы, способствуя повышению жаропрочности. Наиболее высоким комплексом свойств сплав ЖС6У обладает в литом и гомогенизированном состоянии. Гомогенизацию проводят при 1200 оС в течение 4 ч, далее следует охлаждение со скоростью 30–60 оС/мин до 900 оС и затем на воздухе. Для снятия напряжений после механической обработки детали отжигают при 950 оС в течение 2 ч.

Сплав ВЖЛ12У предназначен для работы при температурах 800–1000 оС. Основное требование, которое выдвигалось при разработке этого сплава, – высокая удельная жаропрочность. В связи с этим содержание тяжелого вольфрама в нем было сведено до минимума, а содержание легких элементов (алюминия и титана) увеличено до 10 % (в сумме). Для обеспечения повышенной пластичности сплав легирован 12–15 % кобальта. Дополнительное увеличение жаропрочности достигнуто легированием 0,5–1,5 % V. Благодаря легированию сравнительно легкими элементами, сплав ВЖЛ12У по удельной жаропрочности превосходит сплав ЖС6К во всем диапазоне рабочих температур, а сплав ЖС6У до 940 оС. Выше 1000 оС

270

γ'-фаза в сплаве ВЖЛ12У быстро коагулирует, поскольку содержание вольфрама в нем недостаточно, чтобы поддержать небольшую диффузионную подвижность при столь высоких температурах.

Новое направление повышения жаропрочных характеристик литейных никелевых сплавов состоит в получении методом направленной кристаллизации монокристаллических лопаток с заданной кристаллографической ориентацией. Разупрочнение материалов в процессе ползучести связано в первую очередь со стоком вакансий и дислокаций на границы зерен, ориентированных перпендикулярно оси действующих напряжений. Диффузионная подвижность атомов вдоль границ зерен на несколько порядков выше, чем в объеме зерна. В лопатках с монокристаллической структурой отсутствуют поперечные границы зерен, по которым происходит высокотемпературное разрушение, что и обусловливает их более высокую жаропрочность.

Жаропрочные литейные сплавы, предназначенные для стандартной технологии литья, специально легируют углеродом для формирования карбидов, упрочняющих границы зерен. С этой же целью вводят некоторые другие легирующие элементы (цирконий, бор).

Монокристаллическую структуру лопаток можно получить двумя способами. Первый способ (способ отбора) – монокристальная лопатка кристаллизуется от одного столбчатого кристалла, выбранного из множества столбчатых кристаллов с помощью кристаллоотборника специальной конструкции.

Поскольку столбчатые кристаллы в металлах с ГЦК структурой растут в направлениях <001> (это направления наибольшей скорости роста), в лопатках, полученных этим методом, направления <001> ориентированы вдольеедлины. Это направлениенеобеспечивает наивысшей жаропрочности.

Второй способ – монокристалл растет от затравки с заданной кристаллографической ориентацией. С помощью затравки можно получить отливки с любой ориентацией, в том числе и с ориентацией <111>, которая соответствует направлению наибольшей прочности в ГЦК решетке. Так, в частности, модули Юнга при 20 оС для монокристаллов из жаропрочных никелевых сплавов в направлениях <001>, < 110> и < 111> равны 140, 220 и 305 ГПа соответственно. Длительная прочность и сопротивление усталости монокристаллов в направлении <111> также наибольшие (табл. 8.3).

Тем не менее наибольшую работоспособность охлаждаемых лопаток обеспечивает ориентация <001>. Это связано с тем, что в лопатке действуют не только напряжения от внешней нагрузки, но и термические напряжения σхх, которые пропорциональны упругим модулям в направлении градиента температур. В итоге при больших температурных градиентах вдоль охлаждаемой лопатки суммарные напряжения при ориентации <001> могут быть меньше, чем при ориентации <111>, поскольку Е001 в 2,2 раза

271

меньше Е111. В неохлаждаемых лопатках температурные напряжения сравнительно невелики, так что наибольшую работоспособность обеспечивает ориентация <111>.

Таблица 8.3

Механические свойства монокристаллических образцов разной ориентации из сплава типа ЖС6

(А.А. Буханова и В.Н. Толорайя)

Для получения наиболее совершенной монокристаллической структуры и, как следствие, для обеспечения наиболее высоких жаропрочных свойств кристаллизацию следует вести с возможно наибольшим градиентом температур на фронте кристаллизации.

лургии. Их структура представлена металлической матрицей и дисперсными оксидами.

Металлической матрицей в сплавах ВДУ-1 и ВДУ-2 служит никель, а в сплаве ВДУ-3 – никелехромовый твердый раствор. Дисперсное упрочнение сплава ВДУ-1 обеспечивает оксид тория, поэтому сплав обладает токсичностью. Сплавы ВДУ-2 и ВДУ-3 упрочнены нетоксичным диоксидом гафния.

Дисперсно-упрочненные никелевые сплавы отличаются от деформируемых, по крайней мере, тремя особенностями:

▪объемная доля упрочняющей дисперсной фазы редко превышает 5 % (в деформируемых достигает 40–50 %);

▪γ'-фаза когерентна по отношению к матрице (γ-фазе), а частицы оксидов некогерентны;

▪γ'-фаза активно взаимодействует с матрицей, а частицы тугоплавких оксидов инертны по отношению к матрице.

272

Полуфабрикаты из дисперсно-упрочненных сплавов получают по известным схемам порошковой металлургии, включающим: а) формование заготовки из порошка; б) спекание заготовки; в) экструзию; г) теплую деформацию; д) холодную деформацию и е) отжиг. Сплавы ВДУ-1 и ВДУ-2 способны к холодной пластической деформации с большими степенями деформации, в то время как для сплава ВДУ-3 допустима холодная деформация лишь с малыми обжатиями (< 10 %).

Выбор оптимальных режимов обработки давлением и термической обработки дисперсно-упрочненных сплавов играет решающую роль в обеспечении высокой жаропрочности, т.к. жаропрочные свойства этих материалов зависят не только от количества и размеров оксидных частиц, но и от размеров, формы и строения зерен и субзеренных ячеек.

Структура полуфабрикатов представлена ориентированными в направлении деформации рекристаллизованными зернами размерами 300–500 мкм в поперечнике. Зерна пронизаны мелкими двойниками отжига, расположенными преимущественно под углом 45о к направлению деформации.

По прочностным характеристикам при комнатной и умеренных температурах дисперсно-упрочненные сплавы уступают стареющим деформируемым сплавам. При комнатной температуре временное сопротивление разрыву отожженных сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2 составляет 500– 550 МПа, а сплава ВДУ-3 850–950 МПа. Большая прочность сплава ВЦУ-3 по сравнению с первыми двумя обусловлена его легированием хромом. При высоких температурах дисперсно-упрочненные сплавы превосходят по жаропрочности дисперсионно-твердеюшие. Меньшая жаропрочность сплавов ВДУ-2 и ВДУ-3 по сравнению с ВДУ-1 обусловлена меньшим размером частиц оксида тория по сравнению с оксидом гафния. Сплавы первой группы удачно дополняют сплавы второй группы. Стареющие сплавы наиболее целесообразно применять при рабочих температурах 800–1050 оС, а дисперсно-упрочненные – при 1100–200 оС.

Конструкционные сплавы

Технический никель, содержащий небольшие добавки марганца, кремния, углерода и магния, которые обычно вводят как раскислители и десульфураторы (т.е. выводят кислород и серу из раствора, связывая их в химические соединения – оксиды и сульфиды), наряду с высокой коррозионной стойкостью обладает повышенными механическими свойствами.

Другим ярким представителем конструкционных материалов на основе Ni является сплав монель-металл. Он хорошо обрабатывается в горя-

273

чем и холодном состояниях, сопротивляется действию агрессивных газов при высоких температурах и сохраняет прочность при нагреве до температуры 400 оС. Сплав хорошо противостоит действию атмосферы, водных растворов солей и щелочей, пара и органических кислот.

По своей структуре монель-металл относится к сплавам типа твердых растворов Ni–Сu. Небольшие присадки железа и кремния так же, как медь, находятся в растворе и самостоятельных фаз не образуют. Микроструктура сплава подобна чистому никелю.

Таблица 8.4

Свойства монель-металлов и никеля

Механические свойствамонель-металловиникеляуказаны втабл. 8.4.

Электротехнические сплавы на никелевой основе

Наиболее распространены сплавы: хромель марок НХ9 и НX9,5, алюмель НМцАК2-2-1, копель МНМц48-0,5, а также частично константан МНМц40-1,5 и нихром Х20Н80.

Сплавы НХ9,5 (хромель1) и НХ9 (хромель 2) являются двойными сплавами никеля с хромом с небольшими добавками марганца.

Сплав НМцАК2-2-1 (алюмель) также относится к сплавам типа твердых растворов марганца, алюминия и кремния в никеле.

Сплав МНМц40-1,5 (константан) является типичным тройным твердым раствором никеля и марганца в меди. Этот сплав в паре соответственно с медью, серебром или железом дает большую термоЭДС при очень малом температурном коэффициенте электросопротивления. Константан достаточно коррозионно-стойкий.

274

Сплав МНМц43-03 (копель) является аналогом константана, но содержит несколько больше никеля. Этот сплав отличается высоким удельным электросопротивлением, в паре соответственно с медью, хромелем и железом дает большую термоЭДС при очень малом температурном коэффициенте электросопротивления. Применяется в качестве компенсационного провода, отрицательного электрода термопар и в радиотехнических приборах для рабочих температур, не превышающих 600 оС.

Сплав Х20Н80 (нихром) является типичным сплавом сопротивления. Его удельное электрическое сопротивление приблизительно в 70 раз больше, чем у меди. Рабочую температуру нихромов можно повысить до 1150–1200 оС введением в сплав до 0,1 % церия.

Тройные сплавы на железной основе, содержащие 4–7 % Al, 20–35 % Сr и небольшое количество углерода – до 0,1 % (остальное Ni), известны под названием канталь и магапир. Они имеют более высокое электрическое сопротивление, чем нихром, и характеризуются большой жаростойкостью (сопротивляются окислению при высоких температурах), вызванной плотной пленкой окиси, богатой Al2О3. Рабочая температура данных сплавов может доходить до 1300 оС.

Сплавы с особыми физическими и химическими свойствами

В приборостроении и машиностроении требуются сплавы с самыми разнообразными свойствами, в том числе с особыми физическими константами.

Так, например, для изготовления деталей некоторых приборов и аппаратуры (эталоны длины, маятники хронометров и т.д.) требуются материалы, которые не должны менять своих размеров с изменением температуры или эти изменения должны укладываться в определенные пределы.

Для создания постоянных магнитов требуются материалы, имеющие большое остаточное намагничивание (остаточная индукция) и большую коэрцитивную силу.

Для магнитопроводов (сердечники и якори электромагнитов, сердечники трансформаторов и т.д.), наоборот, требуются материалы с большой магнитной проницаемостью и минимальной остаточной индукцией.

Для ряда приборов требуются материалы, не обладающие способностью намагничиваться. Наиболее ценными материалами в этом отношении являются сплавы, созданные на основе системы Ni–Fe.

275

При высоких температурах (выше 1000 оС) никель с железом образует непрерывный ряд твердых растворов с кубической гранецентрированной решеткой (γ-раствор). У сплавов железо–никель коэффициент линейного расширения и магнитная проницаемость при прибавлении никеля изменяются по сложным зависимостям. Если у чистого железа коэффициент линейного расширения при 100 оС равен 12,7·10-6, то для сплава с 35–37 % Ni этот коэффициент составляет уже 1,8·10-6, т.е. уменьшается примерно в 7 раз. Сплав, содержащий 35–37 % Ni, около 0,05 % С, остальное железо, называется инвар. Этот сплав практически не расширяется при повышении температуры до 100 оС. Он применяется для деталей, которые должны иметь постоянные размеры с изменением температуры.

Меняя содержание никеля в интервале концентрации от 30 до 50 %, можно получать сплавы с различными коэффициентами расширения. Так, например, при содержании 42–48 % Ni, 0,05 % С, остальное железо получаем сплав с коэффициентом расширения таким же, как для платины и стекла. Этот сплав, названный платинитом, служит заменителем платины в изделиях, где соединения стекла с металлом требуют одинакового расширения при нагревании (например, вводы в лампы накаливания).

Сплав никеля с железом (32 % Ni с добавками кобальта 6 % Со) – суперинвар – имеет коэффициент линейного расширения близкий к «0».

Вжелезоникелевых сплавах при содержании Ni около 80 % магнитная проницаемость резко возрастает и превосходит 1,26·10-2 Гн/м. Сплав такого состава, содержащий 78,5 % Ni и 21,5 % Fe, называется пермаллоем.

Высокие магнитные свойства сплав приобретает после специальной термической обработки – гомогенизации при 1200 оС в атмосфере водорода, вторичного нагрева до 600 оС с последующим охлаждением со строго определенной скоростью. Этот сплав применяют для деталей приборов, которые должны сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях (в приборах слаботочной промышленности).

Для постоянных магнитов с большим остаточным намагничиванием, с большой коэрцитивной силой получили распространение сплавы системы Ni–Al–Fe (ални) и Ni–Al–Fе–Со (алнико). Высокие магнитные свойства этих сплавов достигаются в результате специальной термической обработки (закалки и отпуска, нормализации и т.д.). В процессе отпуска из закаленного сплава выделяются частицы различных интерметаллидов

(Ni3Al, FeAl и др.), которые не только повышают механические свойства сплавов, но и увеличивают коэрцитивную силу.

Вкачестве немагнитных материалов применяют сплавы тройной системы Ni–Fe–С (25 % Ni, 2,5 % Cr, 0,3 % С, остальное Fe) и четверной системы Ni–Fе–Cr–Мn (12 % Ni, 4 % Cr, 5 % Mn, 0,5 % С, остальное Fe).

276

Эти сплавы после закалки с 900 оС в масле имеют аустенитную структуру с магнитной проницаемостью, близкой к единице.

Никель используют как коррозионно-стойкий материал в химической, пищевой и медицинской промышленности, в приборостроении, а также в электровакуумной технике, т.к. пары никеля имеют малую упругость. В электровакуумной промышленности применяют также кремнистый и марганцевый никель. Из марганцевого никеля изготовляют электроды свечей в двигателях внутреннего сгорания.

Жаростойкие никелевые сплавы предназначены для изготовления газопроводов, камер сгорания, форсажных камер и других узлов и деталей авиационных двигателей, т.е. таких деталей, от которых требуется высокая окалиностойкость и сопротивление газовой эрозии, а не высокая жаропрочность. Эти сплавы применяют также для изготовления арматуры и приспособлений нагревательных печей.

Сплавы высокого электрического сопротивления предназначены для применения в качестве нагревательных элементов, в реостатах и приборах. Сплавы с малым температурным коэффициентом электросопротивления (константан, манганин) используют для изготовления точных электроизмерительных приборов.

Из никелевых сплавов изготавливают термопары (ХА): хромель (НХ9,5)–алюмель (НМцАК2-2-1), их можно применять для измерения температур от 300 до 1000 оС.

В газотурбинных двигателях из жаропрочных никелевых сплавов делают рабочие лопатки и диски турбины, направляющие лопатки, камеры сгорания, детали крепления, жаровые трубы, корпуса двигателей. В современных авиационных двигателях на жаропрочные сплавы приходится до 70 % массы двигателя. Широкое использование сплавов на основе никеля позволило поднять температуру газов на входе в турбину с 800 до 1100 оС, что привело к значительному повышению мощности двигателей, уменьшению удельного расхода топлива, увеличению ресурса.

Жаропрочные никелевые сплавы применяют также для изготовления ряда деталей турбин промышленных наземных установок, а также двигателей наземного транспорта, что позволяет существенно улучшить их рабочие характеристики и повысить ресурс.

Жаропрочные никелевые сплавы используются при изготовлении матриципрессовогоинструментадлягорячейобработкиметалловдавлением.

Никель – ценный легирующий элемент в сталях, а также в цветных сплавах (мельхиоры, куниали, латуни, бронзы и др.). Его используют для получения никелевых покрытий (никелирование) [1, 5, 25].

277

Контрольные вопросы

изадания

1.Когда был открыт никель?

2.Охарактеризуйте основные свойства никеля.

3.Как взаимодействуют никель с хромом, алюминием, титаном?

4.Чем легируют жаропрочные сплавы на никелевой основе (кроме хрома, алюминия и титана)?

5.Каковы состав и свойства технического никеля?

6.Дайте классификацию сплавов на основе никеля.

7.Каковы состав и свойства жаростойких никелевых сплавов?

8.Как влияет железо на жаропрочность никелевых сплавов?

9.Каково влияние кобальта на жаропрочность никелевых сплавов?

10.Как влияет алюминий на жаропрочность никелевых сплавов?

11.Каково влияние вольфрама и молибдена на жаропрочность никелевых сплавов?

12.Охарактеризуйте влияние хрома на жаропрочность никелевых

сплавов.

13.Опишите влияние углерода на жаропрочность никелевых сплавов.

14.Как влияют легкоплавкие элементы на жаропрочность никелевых сплавов.

15.Охарактеризуйте влияние газовых примесей (О, Н, N) на жаропрочность никелевых сплавов.

16.Каковы особенности термической обработки жаропрочных никелевых сплавов?

17.Охарактеризуйте состав, структуру, режимы термообработки жаропрочных деформируемых сплавов.

18.Каковы состав, структуру, режимы термообработки жаропрочных литейных сплавов?

19.Охарактеризуйте состав, структуру, способ получения дисперс- но-упрочненных сплавов на никелевой основе.

20.Каковы состав, структура, свойства конструкционных сплавов на никелевой основе?

21.Охарактеризуйте состав и свойства электротехнических сплавов на никелевой основе.

22.Каковы состав, свойства, применение сплавов с особыми физическими и химическими свойствами?

23.Перечислите области применения никеля и его сплавов.

278