Разработка жаропрочных сплавов

Жаропрочные сплавы — суперсплавы на основе никеля, кобальта и железа — сохраняют прочность под нагрузкой выше 600 °C, поэтому газовые турбины, авиационные двигатели и петрохимические печи работают горячее и служат дольше. В высокотемпературных трубопроводах эти же материалы идут на крепёж и металлические уплотнения, где обычные фланцевые прокладки дают ползучесть и теряют герметичность.

Что такое жаропрочные сплавы

Жаропрочный сплав — металл, рассчитанный на работу под нагрузкой выше 600 °C. Он должен сочетать стойкость к окислению и коррозии с прочностью при температуре, сопротивлением ползучести и разрыву, термической усталостью и стабильной микроструктурой.

Из этих сплавов делают горячие детали авиационных и ракетных двигателей, судовых и промышленных газовых турбин: рабочие и направляющие лопатки, диски, камеры сгорания и корпуса. Нефтегазовая и химическая отрасли применяют их в нагревателях, реформерах и установках переработки угля, а также для крепежа и трубные фланцы горячих соединений.

• Стойкость поверхности к окислению и горячей коррозии.
• Прочность при температуре, ползучесть и длительная прочность.
• Стойкость к термической усталости и циклическим нагрузкам.
• Стабильность микроструктуры: упрочняющие фазы не укрупняются и не растворяются в работе.

Как развивались суперсплавы

Никелевые суперсплавы появились в конце 1930-х годов, а их производство развивалось по странам следующим образом.

• 1941 год — Великобритания выпустила первый никелевый сплав Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti); добавление алюминия повысило ползучесть и дало сплав Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al).
• Середина 1940-х годов — США наладили собственное производство никелевых суперсплавов.
• Конец 1940-х годов — присоединился Советский Союз.
• Середина 1950-х годов — производство начал Китай и ввёл систему обозначений GH для деформируемых никелевых сплавов.

Дальше развитие шло по двум направлениям: улучшение состава и совершенствование технологии. Вакуумная плавка в начале 1950-х годов позволила вести сплавы с высоким содержанием алюминия и титана; литьё по выплавляемым моделям в конце 1950-х дало литые сплавы с более высокой жаропрочностью; в середине 1960-х появились сплавы с направленной кристаллизацией, монокристаллические и порошковые сплавы. С 1960-х годов для судов и промышленных газовых турбин разрабатывали высокохромистые никелевые сплавы с термокоррозионной стойкостью и стабильной структурой. С начала 1940-х до конца 1970-х годов рабочая температура выросла с 700 °C до 1100 °C — примерно на 10 °C в год.

Классификация жаропрочных сплавов

По способу производства различают деформируемые, литые и порошковые жаропрочные сплавы; по форме поставки — листовые, стержневые и дисковые. По способу упрочнения — упрочнённые твёрдым раствором, упрочнённые старением и упрочнённые дисперсией оксидов.

По элементу матрицы жаропрочные сплавы делятся на три группы.

Таблица 1. Жаропрочные сплавы по элементу матрицы; порядок дан по жаропрочной прочности.

• Упрочнение твёрдым раствором — вольфрам, молибден и кобальт в матрице.
• Упрочнение старением — фазы γ′ (Ni₃Al) и γ″ (Ni₃Nb).
• Упрочнение дисперсией оксидов — мелкие стабильные частицы оксидов.

Легирование, упрочняющие фазы и производство

Хром вводят в основном ради стойкости к окислению и коррозии. В сплавах 1940–1950-х годов его было 18–20%; в 1960-х содержание снизили до 8–12% ради повышения жаропрочности, а дальнейшее снижение ухудшает стойкость к окислению и коррозии. Деформируемые сплавы, упрочнённые твёрдым раствором, содержат больше вольфрама, молибдена и кобальта; слабоупрочняемые старением — алюминий, титан и ниобий; сильноупрочняемые старением — до 7.5% этих элементов суммарно, а также бор, церий и магний по границам зёрен.

Основная упрочняющая фаза — γ′ (Ni₃Al): 20–55% структуры в деформируемых сплавах и до 60% в литых. Вторая фаза — γ″ (Ni₃Nb): она сильнее упрочняет ниже 700 °C и заметно повышает предел текучести, поэтому служит основой дисковых сплавов. Кобальт повышает температуру растворения фазы γ′ и рабочую температуру сплава, гафний улучшает пластичность при средних температурах, бор с цирконием упрочняют границы зёрен.

• Плавка — вакуумная индукционная плавка для чистого металла и контроля алюминия и титана, часто с последующим переплавом в вакуумной расходуемой печи или электрошлаковым переплавом.
• Деформация — ковка, прокатка и прессование; сплавы с низкой пластичностью катают после прессования или прессуют в оболочке из мягкой стали, разрушая литую структуру.
• Литьё — лигатуру плавят в вакуумной индукционной печи, затем делают переплав и точное литьё; только так получаются внутренние каналы охлаждения полых лопаток.
• Термическая обработка — растворение, промежуточная обработка и старение. Для сплава Udimet 500: 1175 °C 2 часа на воздухе, 1080 °C 4 часа на воздухе, 843 °C 24 часа на воздухе, 760 °C 16 часов на воздухе.

У литых сплавов есть и недостатки: чуть ниже усталостная стойкость, низкая пластичность, микропористость с разбросом свойств и снижение стабильности структуры в работе. В 1968 году в США разработали литой никелевый сплав с высоким содержанием бора и низким углерода: бор увеличили в 10–20 раз, а углерод снизили до 0.01–0.03%. Это повысило прочность и пластичность, снизило пористость и улучшило долговременную стабильность структуры.

Часто задаваемые вопросы

Какие жаропрочные сплавы имеют наибольшую прочность при температуре?

Никелевые — они же самые распространённые. Далее идут кобальтовые, замыкают железные.

Что дают фазы γ′ и γ″?

Фаза γ′ (Ni₃Al) — основная упрочняющая фаза: 20–55% структуры в деформируемых сплавах и до 60% в литых. Фаза γ″ (Ni₃Nb) сильнее упрочняет ниже 700 °C и заметно повышает предел текучести, поэтому на ней строят дисковые сплавы.

Почему содержание хрома снизили с 18–20% до 8–12%?

В 1960-х годах хром снизили ради повышения жаропрочности. Дальнейшее снижение ухудшает стойкость к окислению и коррозии, поэтому в большинстве сплавов остаётся 8–12%.

Почему жаропрочные сплавы выплавляют в вакууме?

Вакуумная индукционная плавка снижает содержание газов и вредных примесей и позволяет контролировать легкоокисляющиеся добавки — алюминий и титан; затем часто применяют переплав в вакуумной расходуемой печи или электрошлаковый переплав.

Как маркируют деформируемые никелевые сплавы?

В китайской системе это GH с порядковым номером — GH36, GH49, GH141, а литые никелевые сплавы получают обозначение K с номером, например K1 и K2.