Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

269

▪ есть возможность получения пустотелых водоохлаждаемых лопаток;

▪ позволяют получить направленно закристаллизованные и моно-

кристаллические структуры.

Основной

недостаток литейных сплавов – пониженная пластич-

ность, особенно в интервале рабочих температур.

По химическому составу жаропрочные литейные сплавы близки к

высокожаропрочным деформируемым сплавам: те и другие сплавы содер-

жат 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, кар-

бонитридами и боридами. Из-за ликвации легирующие элементы неодно-

родно распределяются по объему зерна. При высокотемпературном нагре-

ве под закалку последствия дендритной ликвации частично устраняются,

что способствует более равномерному распределению γ'-фазы, выделяю-

щейся при последующем старении.

В зависимости от легирования и режимов

термической обработки в

литейных сплавах формируются различные карбиды. Титан образует с уг-

леродом малорастворимые карбиды типа TiC, а в присутствии азота – кар-

бонитриды Ti(C, N). Карбиды титана образуют с никелем эвтектику, кото-

рая располагается в междендритных пространствах. Помимо TiC встреча-

ются и сложные карбиды других металлов. Боридные фазы типа Сr

, а

также более сложные бориды (Мо, W)

или (Mo, W, Сr)

скапли-

ваются на границах зерен.

Наиболее известны жаропрочные литейные сплавы серии ЖС:

ЖСЗ, ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф (см. табл. 8.2). Сплавы серии ЖС леги-

рованы 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 выби-

ралось 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 от-

личается 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 вольф-

рама (9–11 %) и пониженное содержание

молибдена (1,2–2,4 %).

Сплав ЖС6К предназначен для изготовления деталей, работающих

при температурах газа 800–1050

С. Сплав подвергают гомогенизации при

270

температурах 1210–1230

С, а затем подвергают старению при 950

С в те-

чение 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 представ-

лена γ-фазой, сравнительно крупными частицами γ'-фазы, образовав-

шимися

при кристаллизации и не полностью растворившимися при на-

греве под гомогенизацию, и более мелкими, почти кубической формы, вы-

делениями γ'-фазы, сформировавшимися при охлаждении. Общее содер-

жание γ'-фазы составляет около 45 %. В результате улучшения технологии

выплавки удалось существенно повысить технологическую пластичность

сплава ЖС6К, так что из него стали изготовлять

деформированные полу-

фабрикаты (в этом случае его маркируют ЖС6КП).

Еще выше жаропрочность у сплава ЖС6У, который может иметь

равноосную или направленную структуру, полученную методом направ-

ленной кристаллизации; в последнем случае его маркируют как ЖС6УН.

Сточасовая длительная прочность сплава ЖС6У с равноосной структурой

при температурах до 1100

С на 20–30 МПа больше длительной прочности

сплава ЖС6К. Методом направленной кристаллизации можно дополни-

тельно повысить длительную прочность еще на 20–30 МПа. Пластичность

сплава ЖС6У низка, особенно при высоких температурах, его относитель-

ное удлинение составляет 5 % при 20

С и 2 % при 900

С.

Более высокая длительная прочность сплава ЖС6У по сравнению с

ЖС6К обусловлена большим суммарным содержанием легирующих эле-

ментов, 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 жа-

ропрочности. Наиболее высоким

комплексом свойств сплав ЖС6У обладает

в литом и гомогенизированном состоянии. Гомогенизацию проводят при

1200

С в течение 4 ч, далее следует охлаждение со скоростью 30–60

С/мин

до 900

С и затем на воздухе. Для снятия напряжений после механической

обработки детали отжигают при 950

С в течение 2 ч.

Сплав ВЖЛ12У предназначен для работы при температурах

800–1000

С. Основное требование, которое выдвигалось при разработке

этого сплава, – высокая удельная жаропрочность. В связи с этим содержа-

ние 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 % кобаль-

та. 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

С. Выше 1000

271

γ'-фаза в сплаве ВЖЛ12У быстро коагулирует, поскольку содержание вольф-

рама в нем недостаточно, чтобы поддержать небольшую диффузионную

подвижность при столь высоких температурах.

Новое направление повышения жаропрочных характеристик ли-

тейных никелевых сплавов состоит в получении методом направленной

кристаллизации монокристаллических лопаток с заданной кристаллогра-

фической ориентацией. Разупрочнение материалов в процессе

ползучести

связано в первую очередь со стоком вакансий и дислокаций на границы зе-

рен, ориентированных перпендикулярно оси действующих напряжений.

Диффузионная подвижность атомов вдоль границ зерен на несколько по-

рядков выше, чем в объеме зерна. В лопатках с монокристаллической

структурой отсутствуют поперечные границы зерен, по которым происхо-

дит высокотемпературное разрушение, что и

обусловливает их более вы-

сокую жаропрочность.

Жаропрочные литейные сплавы, предназначенные для стандартной

технологии литья, специально легируют углеродом для формирования

карбидов, упрочняющих границы зерен. С этой же целью вводят неко-

торые 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 множе-

ства 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

вдоль ее длины. Это направление не обеспечивает наивысшей жаропрочности.

Второй способ – монокристалл растет от

затравки с заданной кри-

сталлографической 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

С для монокристаллов из жаропрочных

никелевых сплавов в направлениях <001>, < 110> и < 111> равны 140, 220

и 305 ГПа соответственно. Длительная прочность и сопротивление устало-

сти монокристаллов в направлении <111> также наибольшие (табл. 8.3).

Тем не менее наибольшую работоспособность охлаждаемых лопа-

ток обеспечивает ориентация <001>. Это связано с тем, что в лопатке дей-

ствуют не только напряжения от внешней нагрузки

, но и термические на-

пряжения σ

хх

, 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

001

в 2,2 раза

272

меньше

111

. В неохлаждаемых лопатках температурные напряжения срав-

нительно 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)

Кристаллографиче-

ская ориентация об-

разцов

Механические свойства

при 20

С,

МПа

δ при 200

С,

975

МПа

Е при 20

С,

ГПа

Е при 900

С,

ГПа

[001] 950 9,0 275 132 92

[111] 1175 4,5 350 278 214

[112] 1050 7,5 285 230 172

[011] 775 17,5 265 172 161

Для получения наиболее совершенной монокристаллической струк-

туры и, как следствие, для обеспечения наиболее высоких жаропрочных

свойств кристаллизацию следует вести с возможно наибольшим градиен-

том температур на фронте кристаллизации.

Дисперсно-упрочнённые

сплавы на никелевой основе

Дисперсно-упрочненные сплавы (к

им относятся ВД

-1, ВДУ-2 и ВДУ-3)

олучают методами порошковой ме

ал-

лургии. Их структура представлена металлической матрицей и дисперс-

ными оксидами.

Металлической матрицей в сплавах ВДУ-1 и ВДУ-2 служит никель,

а в сплаве ВДУ-3 – никелехромовый твердый раствор. Дисперсное уп-

рочнение сплава ВДУ-1 обеспечивает оксид тория, поэтому сплав обладает

токсичностью. Сплавы ВДУ-2 и ВДУ-3 упрочнены нетоксичным диокси-

дом гафния.

Дисперсно-упрочненные никелевые сплавы отличаются от дефор-

мируемых, 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 тугоплав-

ких оксидов инертны по отношению к матрице.

273

Полуфабрикаты из дисперсно-упрочненных сплавов получают по

известным схемам порошковой металлургии, включающим: а) формование

заготовки из порошка; б) спекание заготовки; в) экструзию; г) теплую де-

формацию; 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 дефор-

мация 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 ма-

териалов 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 направ-

лении деформации рекристаллизованными зернами размерами 300–500 мкм

в поперечнике. Зерна пронизаны мелкими двойниками отжига, располо-

женными преимущественно под углом 45

к направлению деформации.

По прочностным характеристикам при комнатной и умеренных

температурах дисперсно-упрочненные сплавы уступают стареющим де-

формируемым сплавам. При комнатной температуре временное сопро-

тивление 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 раз-

мером частиц оксида тория по сравнению с оксидом гафния. Сплавы пер-

вой группы удачно дополняют сплавы второй группы. Стареющие сплавы

наиболее целесообразно применять при рабочих температурах 800–1050

С, а дисперсно-упрочненные – при 1100–200

С.

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 коррози-

онной стойкостью обладает повышенными механическими свойствами.

Другим ярким представителем конструкционных материалов на ос-

нове Ni является сплав монель-металл. Он хорошо обрабатывается в горя-

274

чем и холодном состояниях, сопротивляется действию агрессивных газов

при высоких температурах и сохраняет прочность при нагреве до темпера-

туры 400

С. Сплав хорошо противостоит действию атмосферы, водных

растворов солей и щелочей, пара и органических кислот.

По своей структуре монель-металл относится к сплавам типа твер-

дых растворов Ni–Сu. Небольшие присадки железа и кремния так же, как

медь, находятся в растворе и самостоятельных фаз не образуют. Микро-

структура сплава подобна чистому никелю.

Таблица 8.4

Свойства монель-металлов и никеля

Марка

Химический со-

став

, % (по массе)

Механические свойства

Fe Mn Cu σ

, МПа σ

0.2

, МПа δ, % ψ, % НВ

НМц 2,5 3,0 500 190 40 60 –

НМц5 5,1 630 230 43 60 140

НМЖМц 28-2,5-1,5 2,5 1,5 28 500 240 35 70 130

Никель НПО, НП1,

НП2, НП3

– – – 430 120 37 70 80

Остальное – никель.

Механические свойства монель-металлов и никеля указаны в табл. 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 соответ-

ственно с медью, серебром или железом дает большую термоЭДС при

очень малом температурном коэффициенте электросопротивления. Кон-

стантан достаточно коррозионно-стойкий.

275

Сплав МНМц43-03 (копель) является аналогом константана, но со-

держит несколько больше никеля. Этот сплав отличается высоким удель-

ным электросопротивлением, в паре соответственно с медью, хромелем и

железом дает большую термоЭДС при очень малом температурном коэф-

фициенте электросопротивления. Применяется в качестве компенсацион-

ного провода, отрицательного электрода термопар и в радиотехнических

приборах для рабочих температур, не превышающих 600

С.

Сплав Х20Н80 (нихром) является типичным сплавом сопротивле-

ния. Его удельное электрическое сопротивление приблизительно в 70 раз

больше, чем у меди. Рабочую температуру нихромов можно повысить до

1150–1200

С 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 Al

. Рабочая температура

данных сплавов может доходить до 1300

С.

Сплавы с особыми физическими

и химическими свойствами

В приборостроении и машиностроении требуются сплавы с самыми

разнообразными свойствами, в том числе с особыми физическими кон-

стантами.

Так, например, для изготовления деталей некоторых приборов и ап-

паратуры (эталоны длины, маятники хронометров и т.д.) требуются мате-

риалы, которые не должны менять своих размеров с изменением темпера-

туры или эти изменения должны укладываться в определенные пределы.

Для создания постоянных магнитов требуются материалы, имею-

щие большое остаточное намагничивание (остаточная индукция) и боль-

шую коэрцитивную силу.

Для магнитопроводов (сердечники и якори электромагнитов, сер-

дечники трансформаторов и т.д.), наоборот, требуются материалы с боль-

шой магнитной проницаемостью и минимальной остаточной индукцией.

Для ряда приборов требуются материалы, не обладающие способ-

ностью намагничиваться. Наиболее ценными материалами в этом отноше-

нии являются сплавы, созданные на основе системы Ni–Fe.

276

При высоких температурах (выше 1000

С) никель с железом обра-

зует непрерывный ряд твердых растворов с кубической гранецентрирован-

ной решеткой (γ-раствор). У сплавов железо–никель коэффициент линей-

ного расширения и магнитная проницаемость при прибавлении никеля из-

меняются по сложным зависимостям. Если у чистого железа коэффициент

линейного расширения при 100

С 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

С. 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 полу-

чаем 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 рас-

ширения 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».

В железоникелевых сплавах при содержании Ni около 80 % магнитная

проницаемость резко возрастает и превосходит 1,26·10

-2

Гн/м. Сплав тако-

го состава, содержащий 78,5 % Ni и 21,5 % Fe, называется

пермаллоем.

Высокие магнитные свойства сплав приобретает после специальной тер-

мической обработки – гомогенизации при 1200

С в атмосфере водорода,

вторичного нагрева до 600

С с последующим охлаждением со строго оп-

ределенной скоростью. Этот сплав применяют для деталей приборов, ко-

торые должны сильно намагничиваться даже в слабых магнитных полях (в

приборах слаботочной промышленности).

Для постоянных магнитов с большим остаточным намагничивани-

ем, с большой коэрцитивной силой получили распространение сплавы сис-

темы Ni–Al–Fe (ални) и Ni–Al–Fе–Со (алнико). Высокие магнитные свой-

ства этих сплавов достигаются в результате специальной термической об-

работки (закалки и отпуска, нормализации и т.д.). В процессе отпуска из

закаленного сплава выделяются частицы различных интерметаллидов

(Ni

Al, FeAl и др.), которые не только повышают механические свойства

сплавов, но и увеличивают коэрцитивную силу.

В качестве 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).

277

Эти сплавы после закалки с 900

С в масле имеют аустенитную структуру с

магнитной проницаемостью, близкой к единице.

Никель используют как коррозионно-стойкий материал в химиче-

ской, пищевой и медицинской промышленности, в приборостроении, а

также в электровакуумной технике, т.к. пары никеля имеют малую упру-

гость. В электровакуумной промышленности применяют также кремни-

стый и марганцевый никель. Из

марганцевого никеля изготовляют элек-

троды 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 жаро-

прочность. 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 при-

борах. Сплавы с малым температурным коэффициентом электросопротив-

ления (константан, манганин) используют для изготовления точных элек-

троизмерительных приборов.

Из никелевых сплавов изготавливают термопары (ХА): хромель

(НХ9,5)–алюмель (НМцАК2-2-1), их

можно применять для измерения тем-

ператур от 300 до 1000

С.

В газотурбинных двигателях из жаропрочных никелевых сплавов

делают рабочие лопатки и диски турбины, направляющие лопатки, камеры

сгорания, детали крепления, жаровые трубы, корпуса двигателей. В совре-

менных 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

С,

что привело к значительному повышению мощности двигателей, умень-

шению удельного расхода топлива, увеличению ресурса.

Жаропрочные никелевые сплавы применяют также для изготов-

ления 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 мат

риц и прессового инструмента для горячей обработки металлов давлением.

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].

278

Контрольные вопросы

и задания

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 ни-

келевых сплавов?

12. Охарактеризуйте влияние хрома на жаропрочность никелевых

сплавов.

13. Опишите влияние углерода на жаропрочность никелевых сплавов.

14. Как влияют

легкоплавкие элементы на жаропрочность никеле-

вых сплавов.

15. Охарактеризуйте влияние газовых примесей (О, Н, N) на жаро-

прочность никелевых сплавов.

16. Каковы особенности термической обработки жаропрочных ни-

келевых сплавов?

17. Охарактеризуйте состав, структуру, режимы термообработки

жаропрочных деформируемых сплавов.

18. Каковы состав, структуру, режимы термообработки жаропроч-

ных 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 физи-

ческими и химическими свойствами?

23. Перечислите области применения никеля и его сплавов.