Жаропрочные сплавы
•Жаропрочность – способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах
•Критерии оценки жаропрочности:
•1. кратковременная ползучесть
•2. длительная ползучесть
•Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под дйствием постоянной нагрузки при постоянной температуре.
•Жаростойкость – способность металлов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течении длительного времени. Жаростойкость зависит от строения окисной пленки.
Условия работы жаропрочных сплавов
•Высокие температуры (600-2000 0С)
•Перепады температур
•Усталость
•Ползучесть
•Воздействия на поверхности
•коррозия
Классификация жаропрочных материалов
•1. тугополавкие металлы с ОЦК решеткой (вольфрам, молибден, титан, ниобий)
•2. керамические материалы
•3. интерметаллические на основе алюмиия, железа, никеля, кобальта
•4. суперсплавы
Свойства жаропрочных материалов
сплавы |
пластичность |
высокотемпе сопротивление |
|
|
при Т |
ратурная |
окислению коррозии |
|
окружающей |
пластичност |
|
|
|
||
|
среды |
ь |
|
Nb, Ta, |
+ |
- |
+/- |
+/- |
Mo, W |
- |
+ |
- |
- |
алюминиды |
- |
+/- |
+ |
- |
SiC, Si3N4 |
- |
+ |
+ |
+/- |
C-C |
- |
+ |
- |
- |
суперсплавы |
+ |
+ |
+ |
+ |
Механические свойства жаропрочных интерметаллидов
•Высокая хрупкость, не устраняемая при уменьшении количества примесей. Разрушение при растяжении хрупкое, при сжатии – пластичное.
•Высокая твердость (HV 500-11000 МПа)
•Аномальная зависимость предела текучести от температуры – низкая прочность при комнатной Т, высокая – при повышенной Т. Появление температурного пика связывается с переходом «порядок-беспорядок» или от одной упорядоченной структуре к другой
•Высокая температура плавления (выше 1000 0 С, кроме сплавов золота и серебра).
Прочность при повышенной температуре
•Прочность металла определяется силами связи атомов в кристаллической решетке. При нагреве подвижность томов возрастает, количество вакансий возрастает, диффузионные процессы активизируются.
•Это снижает силы межатомных связей и прочность.
•При пластичесокм деформировании с нагревом возможны 2 взаимно-противоположных процесса:
•1. упрочнение при пластическом деформировании
•2. разупрочнение при искажении кристаллической решетки, растворении упрочняющих фаз
Принципы конструирования жаропрочных сплавов
свойство |
растворимые добавки |
нерастворимые добавки |
зерна |
|
|
должны |
должны |
|
|
низкотемпературн |
1. быть с большим размерным |
1. |
обеспечивать когерентность |
малого |
ая прочность |
несоответствием решеток, |
матрице, |
размера |
|
|
2. обеспечивать |
2. |
обладать высокой энергией |
|
|
возникновение ближнего |
межфазных границ, |
|
|
|
порядка, |
3. |
быть в виде крупных частиц, |
|
|
3. понижать энергию |
4. |
обеспечивать высокое размерное |
|
|
дефектов упаковки |
несоответствие по отношению к |
|
|
|
|
решетке матрицы |
|
|
высокотемператур |
-«- |
1. |
-«- |
-«- |
ная прочность |
|
2. |
-«- |
|
|
|
3. |
быть в виде дисперсных частиц, |
|
|
|
4. |
обеспечивать низкое размерное |
|
|
|
несоответствие по отношению к |
|
|
|
|
решетке матрицы |
|
|
соротивление |
1.обеспечивать высокое |
1.некогерентны матрице |
крупного |
|
ползучести |
упрочнение |
2.мелкодисперсны |
размера, |
|
|
2.низкий коэффициент |
3.в большом количестве |
столбчатые |
|
|
диффузии |
обеспечивать высокую долю |
или |
|
|
|
дефектов упаковки |
монокристалл |
|
|
|
4. |
обеспечивать низкое размерное |
ы |
|
|
несоответствие по отношению к |
|
|
|
|
решетке матрицы |
|
|
Схема установки для направленной кристаллизации 1 – приемник, 2 – радиационный нагрев, 3 –
индукционная катушка, 4 – расплавленный металл, 5 – радиационное охлаждение, 6 – тепловой экран, 7 – керамическая изложница, 8 – устройство для отбора монокристаллов, 9 – водяной холодильник, 10 – блок столбчатых зерен
устройство для отбора монокристаллов 1- спиральный канал (геликоид), 2 – зона затравки
Принципы легирования жаропрочных сплавов
основа |
ЛЭ |
действие |
Ni |
Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti |
карбидообразование и |
|
|
твердорастворное упрочнение |
|
Al, Cr |
оксидообразование – |
|
|
стойкость против окисления и |
|
|
коррозии |
|
Hf |
образование устойчивых |
|
|
дисперсных карбидов |
Fe |
Cr, Mo, W, Nb, Al, C, B, Zr |
твердорастворное упрочнение |
|
Cr |
стойкость против окисления и |
|
|
коррозии |
|
Ti, Al |
дисперсное упрочнение |
|
V, Mg, Mn |
горячая деформируемость |
суперсплавы
•Сплавы на основе элементов VIII группы, разработанные для эксплуатации при повышенной температуре под воздействием механических нагрузок в условиях, при которых от материала требуется термическая стабильность.
•Работают при Т, близких к Т плавления (реактивные двигатели, атомные реакторы, газовые турбины…)