Влияние легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов
По химическому и фазовому составу жаропрочные никелевые сплавы очень разнообразны, так как никель имеет большое число ограниченно растворимых легирующих элементов, которые положительно влияют на его жаропрочность. Именно этим можно объяснить значительные возможности и резервы повышения жаропрочности никелевых сплавов. Жаропрочные никелевые сплавы являются сложнолегированными и содержат до 7-9 основных легирующих элементов. Базовой для легирования жаропрочных сплавов является система Ni-Cr-Al-Ti.
Четыре элемента (кобальт, железо, медь и марганец) образуют с никелем при 1000°С непрерывные твердые растворы. Такие тугоплавкие металлы, как хром, вольфрам, молибден, ванадий, тантал растворяются в никеле от 14 до 41%, многие элементы — от 2 до 10% (алюминий, ниобий, кремний, титан и бериллий), не считая еще не освоенных тугоплавких металлов платиновой группы (иридий, родий и др.), а также рения, тория и других легирующих элементов.
Важно подчеркнуть, что большинство растворимых в никеле легирующих элементов положительно влияют на его жаропрочность. Только три из названных выше элемента — железо, ванадий и бериллий — не упрочняют нихром Х20Н80Т при 700—800°С, а остальные легирующие элементы (вольфрам, кобальт, молибден, ниобий, титан, алюминий и тантал) можно считать эффективными упрочнителями.
В сплавы, работающие при умеренных температурах (700-800°С), большинство растворимых легирующих элементов можно вводить в сравнительно больших количествах: до 20% хрома, 8-10% молибдена или вольфрама, 8-9% алюминия и титана (совместно) и т. д. Каждый из них будет упрочнять никелевые сплавы и тем существеннее, чем меньше его ограниченная растворимость при 700-800° С. Опасаться в этом случае пониженной температуры солидуса сплавов не приходится, так как их рабочие температуры сравнительно невысоки.
|
|
|
Наоборот, в сплавах, работающих при предельно высоких температурах (1000-1030°С), повышенное содержание хрома, молибдена (или ниобия) и тем более титана опасно из-за резкого снижения температуры солидуса. В этом случае содержание хрома обычно не превышает 10% (чтобы обеспечить окалиностойкость и упрочнение в присутствии алюминия), а молибдена 3-4%. Только вольфрам и кобальт неопасны, так как они повышают температуру солидуса нихрома.
Несколько необычно поведение кобальта в сложных жаропрочных никелевых сплавах. Кобальт упрочняет нихром Х20Н80Т, начиная примерно с 15% (см. рис. 4.17). В сплавах же более сложного химического состава положительное действие кобальта проявляется при меньших концентрациях, начиная с 5% и выше. Аналогично кобальту температуру солидуса нихрома повышает вольфрам. Таким образом, рекомендовать те или иные количества легирующих элементов в жаропрочные никелевые сплавы можно лишь с учетом рабочих температур сплавов, а также показателей их пластичности и, конечно, удельной жаропрочности.
|
|
|
Различное содержание хрома и алюминия в жаропрочных никелевых сплавах по-разному сказывается не только на их жаропрочности, но и других свойствах. При невысоком содержании хрома (10-13%) сложные никелевые сплавы имеют недостаточное сопротивление окислению, но высокую температуру солидуса. При высоком содержании алюминия (6,5-7%) они обладают достаточной окалиностойкостью, резко повышается их жаропрочность в результате образования больших количеств упрочнителя Ni3Аl, но одновременно сильно снижаются характеристики пластичности.
Хром вводят в состав жаропрочных никелевых сплавов в количествах от ~10 до ~20% (по массе). Основное назначение хрома - обеспечение необходимой жаростойкости. Никельхромистые сплавы (нихромы), содержащие 15-27%Cr, характеризуются высоким сопротивлением окислению при температурах 800-11000С соответственно и применяются как жаростойкие.
Никельтитановые сплавы могут термически упрочняться, о чем свидетельствует переменная растворимость титана в никеле. Упрочняющей фазой, образующейся при старении закаленных сплавов, является h-фаза. Однако выделение h-фазы приводит к снижению пластичности и длительной прочности сплавов. Поэтому h-фазу считают вредной в жаропрочных никелевых сплавах.
|
|
|
Жаростойкие никелевые сплавы обладают повышенным сопротивлением окислению на воздухе при 850-1100° С и предназначаются для изготовления газопроводов, камер сгорания, форсажных камер и других узлов и деталей авиационных двигателей и установок. По химическому составу эти сплавы, за редким исключением, представляют собой малоуглеродистые Ni-Cr-, Ni-Cr-Fe- или Ni-Cr-W-Fe- твердые растворы, легированные Si, Al, Ti и др.
Жаростойкие никелевые сплавы мало упрочняются термической обработкой, т.к. имеют в основном структуру твердых растворов, и, следовательно, обладают сравнительно невысокими показателями прочности и жаропрочности. При комнатной температуре эти сплавы имеют следующие механические свойства: sв = 700-800 МПаи d = 20-40%; при температуре 800°С предел длительной прочности s100 этих сплавов не превышает 50-30 МПа.
Жаростойкие никелевые сплавы имеют повышенное удельное электрическое сопротивление, поэтому некоторые из них (Х15Н60, Х20Н80 и др.) используют в качестве элементов сопротивления лабораторных и промышленных нагревательных печей, работающих при температурах до 1100° С. Такие жаростойкие никелевые сплавы, как ХН60Ю, ХН78Т и др. способны воспринимать упрочняющую термическую обработку. Алюминий в этом случае улучшает не механические свойства, а жаростойкость сплавов. Иногда жаростойкие никелевые сплавы содержат небольшие добавки церия и бария (ХН60Ю, ХН70Ю). Эти сплавы более долговечны.
|
|
|
Исследования жаростойкости различных нихромов (Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70, Х40Н60, Х50Н50) показали, что наибольшей жаростойкостью обладают сплавы Х30Н70 и Х20Н80, на которых образуются защитные окисные пленки (типа шпинели NiO×Cr2O3 и др.).
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 875; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!