Жаростойкие, жаропрочные, тугоплавкие металлы и сплавы
Для продолжительной работы современных машин необходимы материалы обладающие высокими механическими и эксплуатационными свойствами: в широком диапазоне температур (от —269 до +1000°С — криогенная и авиакосмическая техника, ракетостроение, двигателестроение); в условиях вакуума, в агрессивных жидких и газовых средах.
Поэтому в последние десятилетия разработаны и используются в промышленности сплавы с особыми эксплуатационными свойствами (жаростойкие и жаропрочные, хладостойкие, коррозионно-стойкие, радиационно-стойкие)
Жаростойкие сплавы
Жаростойкость — способность сплава сопротивляться коррозионному воздействию высокотемпературной газовой среды.
При низких температурах (20...25 °С) на поверхности металла появляется защитная оксидная пленка толщиной 3... 10 нм (1 нм = 10-9 м). Кристаллическая решетка оксида подобна кристаллической решетке металла. При нагреве толщина оксида увеличивается, и кристаллическая решетка приближается к решетке компактного оксида. При этом возможны как недостаток ионов металла и кислорода в узлах решетки, так и избыток ионов между узлами, занятыми ионами кислорода. Это ускоряет диффузионные процессы в оксидной пленке и ухудшает ее защитные свойства.
Легирование металла элементами с большей активностью к кислороду, чем основной металл, приводит к накапливанию ионов легирующих металлов в оксидном слое, уменьшению дефектности кристаллической решетки оксида и повышению защитных свойств оксидной пленки.
|
|
|
Чистые металлы имеют различную жаропрочность.
Магний имеет плохую жаропрочность (при температуре 500...600 °С скорость окисления 10-1 г/(м2-ч)), что связано с появлением рыхлой оксидной пленки. Ниобий, тантал, молибден, вольфрам имеют плотную оксидную пленку, но при нагреве до 550 °С пленка растрескивается, а оксид молибдена испаряется. Скорость окисления при этой температуре составляет 10-1 г/(м2-ч).
Для титана и циркония характерна большая растворимость кислорода при нагреве. Оксиды этих металлов теряют кислород и при температуре 700...800 °С оксид становится рыхлым и скорость окисления возрастает до 10-1 г/(м2*ч).
Медь, никель, кобальт и железо обладают удовлетворительной жаропрочностью (в интервале температур 500...600 °С, скорость окисления на воздухе равна 10_3г/(м2*ч)). При нагреве до 700...800 °С увеличивается дефектность решетки оксидов и скорость окисления возрастает до 1 г/(м2-ч).
Алюминий, хром, бериллий обладают хорошей жаропрочностью, так как имеют малое химическое сродство к кислороду. Скорость окисления в интервале температур 700...800 °С равна 10-4 г/(м2-ч). Жаростойкость стали повышают легированием хромом (до 30%), кремнием (до 2%) и алюминием (до 5%). Марки жаростойких ста лей - 08Х17Т, 15X28, 20Х23Н18, 20Х25Н20С2.
|
|
|
Основным легирующим элементом является хром, так как легированные оксиды железа заменяются оксидами хрома. Содержание кремния и алюминия в сталях ограничено, так как эти элементы при водят к охрупчиванию и ухудшению пластичности сплава. Этот недо статок можно исключить за счет поверхностного легирования.
Жаростойкость латуней и бронз выше жаростойкости чистой меди. Большинство легирующих элементов в медных сплавах обладают большим химическим сродством к кислороду, чем медь. При нагреве легирующие элементы образуют собственные оксиды, обладающие лучшими защитными свойствами, чем Си2О. Наибольшую жаростойкость показывают медные сплавы, легированные алюминием и бериллием.
Титановые сплавы поглощают кислород, поэтому на их поверхности не образуется защитных оксидов. Повысить жаростойкость сплавов можно только в случае применения жаростойких покрытий.
Жаропрочные сплавы
Жаропрочность— способность материала длительное время (1... 10 ч для ракетостроения; сотни часов — для авиационных турбин; несколько тысяч часов — для стационарных газовых и паровых турбин) сопротивляться деформированию и разрушению в условиях, когда рабочие температуры составляют от 30 до 50% от температуры плавления (30% — для стационарных газовых и паровых турбин; 45% — для авиационных турбин и 50% — для ракетостроения).
|
|
|
Повышение температуры эксплуатации приводит к понижению модуля упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцепления) и одновременному понижению предела текучести и временного сопротивления.
При длительном нагружении в высокотемпературной среде поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерен процесс ползучести.
Ползучесть — процесс нарастания пластической деформации под действием напряжений, мень ших предела текучести.
Критериями жаропрочности являются предел текучести и предел длительной прочности.
Предел текучести — напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре.
Предел длительной прочности — напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время.
Жаропрочные стали имеют невысокую стоимость (по сравнению с другими жаропрочными сплавами), поэтому широко применяются в технике, работающей в высокотемпературной среде, при рабочей температуре 500...700 °С (детали котельных установок, парогазовых турбин, паросиловых установок).
|
|
|
Стали перлитного класса марок 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР применяют при температурах 450...580 °С, они обладают высокой стабильностью исходной структуры и свойств. Поэтому стали используются главным образом в котлостроении, для изготовления труб паронагревателей и цельнокованых роторов стационарных паровых турбин.
Изделия из мартенситных сталей марок 15Х5М, 40Х10С2М, 15X11МФ, 11Х11Н2В2МФ хорошо работают при температурах 450... 600 °С. Стали отличаются повышенной стойкостью в атмосфере пара и топочных газов.
Стали с содержанием хрома от 10 до 12%, дополнительно легированные Mo, V, Nb, и низким (0,1...0,15%) содержанием углерода при длительной эксплуатации выдерживают температуру до 600 °С. Их этих сталей изготавливают диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы, трубы паровых турбин.
Стали с содержанием хрома от 5 до 10% (сильхромы) с добавка ми кремния (до 2%) и повышенным содержанием углерода (до 0,4%) имеют повышенную жаростойкость в среде горячих выхлопных газов. Из этих сталей изготавливают выпускные клапаны двигателей вну треннего сгорания.
Аустенитные стали марок 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М, 10X11Н20ТЗР по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и при меняются при рабочих температурах, превышающих 600 °С.
Жаропрочные сплавы на никелевой основе (марки: ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ, ХН55ИМТКЮ, ХН65ВМТЮ) формально можно отнести к высоколегированным никелем сталям. Но правильно будет называть их никелевыми сплавами. Сплавы применяются для изготовления деталей газотурбинных двигателей и ракет. Лучшие сплавы работоспособны до 1000 °С. Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (до 20%), а для повышения жаропрочности — титаном (1...2,8%) и алюминием (0,55...5,5%). Легирование молибденом и вольфрамом повышает температуру рекристаллизации. Легирование кобальтом повышает жаропрочность до 1000 °С и увеличивает технологическую пластичность сплава
Наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности имеет сплав ХН65ВМТЮ. После двойной закалки при температурах 1220 и 1050 °С, охлаждения на воздухе и старения сплав приобретает мелко зернистую структуру.
Сплавы достаточно хорошо поддаются горячей обработке давлением и в меньшей степени — холодной обработке.
Тугоплавкие металлы и сплавы
К тугоплавким относят металлы с температурой плавления выше 1700 °С.
Наибольшее применение в промышленности нашли следующие металлы: V, Nb, Та, Сг, Мо и W. Эти металлы имеют прочные межатомные связи, высокую температуру плавления, малый коэффициент теплового расширения, высокую жесткость. Однако при высоких температурах металлы (за исключением хрома) быстро окисляются, т.е. имеют низкую жаростойкость.
Сплавы на основе ниобия (марки: ВН2А — 4,1% Мо, 0,7% Zr; ВН4— 9,5% Мо, 1,5% Zr) при длительной эксплуатации выдерживают температуру до 1300 °С, при кратковременной эксплуатации — 1500 °С. Основным достоинством этих сплавов является их низкая плотность.
Сплавы на основе молибдена (марки: ВМ1 — 0,4% Ti; ВМЗ — 0,15% Ti; 0,5% Zr; 0,4% С; 1,4% Nb) можно использовать при температурах не выше 1400 °С.
Сплавы на основе тантала (марки Ta-10W и др.) характеризуются высокими механическими свойствами при обычной температуре, жаропрочностью, коррозионной устойчивостью.
Тантал легируют W, Мо, V, Nb, Ti, Zr, Hf, Re, Cr, С. Предел прочности сплавов, легированных вольфрамом (рис. 10.4), уменьшается от 1265 МПа (20 °С) до 84 МПа (1650 °С).
Сплав пластичен и обладает высоким сопротивлением окислению при температурах до 2800 °С, из него изготовляют детали камеры сгорания и сопла реактивных двигателей, передние кромки оперения самолетов.
Для тех же целей применяют сплав с 8% W и 2% Hf, имеющий по сравнению со всеми другими деформируемыми жаропрочными сплавами наибольшую удельную прочность при высоких температурах. Пластичный сплав c8% W n2,5% Re предложен для изготовления нагревателей промышленных печей, теплозащитной обшивки и дета лей ядерных силовых установок космических аппаратов.
Лекция 24
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1831; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!