Применение и тенденции развития жаропрочного сплава на основе никеля 718

Сплав 718 - жаропрочный никелевый сплав, который выбирают там, где одновременно нужны жаростойкость, коррозионная стойкость и сопротивление усталости: детали горячего тракта авиационных двигателей, буровое оборудование, химические реакторы и высокотемпературные печи. В статье рассмотрены состав, выплавка и подготовка, термическая обработка (обработка на твердый раствор и старение), механические свойства и области применения, а также перспективы развития. В трубопроводных системах сплав 718 чаще всего встречается как материал крепежа, который удерживает фланцевые прокладки в уплотненном состоянии при повторяющихся тепловых циклах.

Состав и подготовка сплава 718

Никель - основной элемент, его содержание обычно превышает 50%. Баланс составляет железо, а хром, кобальт, молибден и алюминий отвечают за упрочнение, которое раскрывается при последующей термической обработке. Небольшие добавки титана, циркония и углерода завершают химический состав.

• Основа: никель более 50%, баланс - железо.
• Основные легирующие добавки: хром, кобальт, молибден, алюминий.
• Микродобавки: титан, цирконий, углерод.
• Кристаллическая структура: гранецентрированная кубическая, плотная и механически прочная.

Производство идет по обычной для жаропрочных сплавов схеме. Элементы расплавляют вакуумной индукционной плавкой или электрошлаковым переплавом, получают однородный расплав, заливают его в заранее разработанную форму, и после затвердевания получают заготовку заданной формы, которую затем подвергают термической обработке. Однородность расплава определяет повторяемость реакции на обработку на твердый раствор и старение от плавки к плавке.

Термическая обработка: обработка на твердый раствор и старение

Сплав 718 поставляется в термообработанном состоянии. Работу выполняют две стадии: сначала обработка на твердый раствор, затем старение.

При обработке на твердый раствор материал нагревают до 1020-1100 °C и выдерживают около 1 часа, чтобы легирующие элементы растворились равномерно, после чего охлаждают с заданной скоростью. Стадия снимает остаточные напряжения и устраняет сверхтвердые фазы, повышает пластичность и обрабатываемость в горячем состоянии.

Типичные параметры термической обработки сплава 718. Точные циклы зависят от сечения детали и от применимой технической спецификации на материал.

Далее следует старение, обычно в две стадии: сначала низкотемпературное, затем высокотемпературное. Результат цикла в производстве определяют три фактора.

• Контроль температуры - выдерживать заданный уровень в узком диапазоне, иначе свойства материала ухудшатся.
• Контроль времени - слишком длительное низкотемпературное старение снижает сопротивление ползучести, а слишком длительное высокотемпературное старение укрупняет зерно и снижает прочность и твердость.
• Контроль состава - кремний, алюминий, титан и углерод меняют реакцию материала на обработку на твердый раствор и старение.

Механические свойства и предел текучести

Сплав 718 сочетает высокую прочность, высокую ударную вязкость и сопротивление усталости. Предел прочности на растяжение может превышать 1400 MPa, предел текучести - 1200 MPa, а твердость и износостойкость позволяют применять материал для деталей, работающих на высокой скорости.

Предел текучести - это напряжение, при котором начинается пластическая деформация, и именно он задает эксплуатационные ограничения. Прочность определяется гранецентрированной кубической структурой и составом: никель дает твердое растворное упрочнение, а хром и железо дополнительно повышают прочность за счет твердого растворного упрочнения и дисперсионного твердения.

• Температура - с ее ростом предел текучести снижается.
• Уровень напряжения и скорость деформации - оба фактора смещают измеряемое значение.
• Состав и содержание легирующих элементов - корректировка соотношения повышает предел текучести.
• Состояние после термической обработки - циклы обработки на твердый раствор и старения меняют зеренную структуру.
• Холодная деформация - заметно повышает предел текучести, но снижает пластичность и вязкость.

На практике поэтому допускаемые напряжения для крепежа на трубных фланцах и других нагруженных деталей берут по пределу текучести при рабочей температуре, а не по значениям при комнатной температуре, и сплав назначают только там, где этот запас действительно нужен.

Области применения и перспективы развития

Основной объем материала приходится на две области, остальное достается третьей группе деталей.

• Авиастроение - лопатки турбин, детали камеры сгорания и подшипники горячего тракта.
• Нефтегазовая и химическая отрасли - химические реакторы, носители катализаторов, высокотемпературные печи и буровое оборудование.
• Высокоскоростные машины - детали, которым нужны твердость и износостойкость наряду с прочностью.

Спрос в обеих основных областях будет расти. Направления исследований - повышение высокотемпературной прочности и коррозионной стойкости, снижение стоимости подготовки материала и повышение его экологичности. По мере развития материаловедения и технологии плавки и литья круг деталей, для которых оправдан сплав 718, будет расширяться.

Часто задаваемые вопросы

Какие элементы входят в основу сплава 718?

Никель - более 50%, баланс составляет железо; дополнительно вводят хром, кобальт, молибден и алюминий, а также небольшие добавки титана, циркония и углерода.

Какие температуры термической обработки применяют для сплава 718?

Обработку на твердый раствор ведут при 1020-1100 °C с выдержкой около 1 часа, затем старение около 8 часов при 720 °C и около 8 часов при 980 °C.

Почему предел текучести снижается при нагреве?

С ростом температуры предел текучести уменьшается, поэтому допустимую рабочую температуру определяют по пределу текучести при этой температуре, а не по значениям при комнатной. На результат влияют также уровень напряжения и скорость деформации.

Полезна ли холодная деформация сплава 718?

Она заметно повышает предел текучести, но одновременно снижает пластичность и вязкость, поэтому степень деформации согласуют с требуемой пластичностью детали.