Авиация Жаропрочные сплавы - Сплавы на основе никеля

22 января 2011


Оглавление:
1. Жаропрочные сплавы
2. История
3. Сплавы на основе никеля
4. Жаропрочность
5. Сплавы на основе кобальта
6. Монокристаллические жаропрочные сплавы
7. Диффузионные покрытия
8. Плазменные покрытия

В 1950-х годах компаниями Pratt & Whitney и General Electric были разработаны сплавы Уаспалой и M-252, легированные молибденом и предназначенные для лопаток авиационных двигателей. Затем были разработаны такие сплавы, как Hastelloy alloy X, Rene 41, Инконель, в том числе Inco 718, Incoloy 901 и др.

Согласно оценкам экспертов, за период 1950-1980-х годов химические составы никелевых жаропрочных сплавов изменялись наиболее значительно за счет введения алюминия и замещающих его элементов в ' фазе. Указанное привело к увеличению объемной доли ' фазы от 25-35 об.% в сплавах нимоник 80 и U-700 до 65-70 об.% в современных лопаточных материалах.

Легирование

Жаропрочные сплавы на основе никеля, как правило, обладают сложным химсоставом. Он включает 12 — 13 компонентов, тщательно сбалансированных для получения необходимых свойств. Содержание таких примесей, как кремний, фосфор, сера, кислород и азот также контролируется. Содержание таких элементов, как селен, теллур, свинец и висмут должно быть ничтожно малым, что обеспечивается подбором шихтовых материалов с низким содержанием этих элементов, т.к. избавиться от них в ходе плавки не представляется возможным. Эти сплавы обычно содержат 10—12 % хрома, до 8 % алюминия и титана, 5-10 % кобальта, а также небольшие количества бора, циркония и углерода. Иногда добавляются молибден, вольфрам, ниобий, тантал и гафний.

Легирующие элементы в этих сплавах можно сгруппировать следующим образом:

1. Элементы, образующие с Ni аустенитную -матрицу с гранецентрированной кристаллической решёткой — Co, Fe, Cr, Mo и W
2. Элементы, образующие упрочняющую ' фазу — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При этом Ti, Nb и Ta входят в состав фазы и упрочняют её.
3. Элементы, образующие сегрегации по границам зёрен — B, C и Zr

К карбидообразующим элементам относятся Cr, Mo, W, Nb, Ta и Ti. Al и Cr образуют оксидные плёнки, защищающие изделия от коррозии.

Типичный химсостав деформируемых жаропрочных сплавов на никелевой основе

Сплав	%Ni	%Cr	%Co	%Mo	%Al	%Ti	%Nb	%C	%B	Zr	% др. элементов
Inconel X-750	73,0	18,0	-	-	0,8	2,5	0,9	0,04	-	-	6,8 % Fe
Udimet 500	53,6	18,0	18,5	4,0	2,9	2,9	-	0,08	0,006	0,05
Udimet 700	53,4	15,0	18,5	5,2	4,3	3,5	-	0,08	0,03	-
Waspaloy	58,3	19,5	13,5	4,3	1,3	3,0	-	0,08	0,006	0,06
Astroloy	55,1	15,0	17,0	5,2	4,0	3,5	-	0,06	0,03	-
Rene 41	55,3	19,0	11,0	10,0	1,5	3,1	-	0,09	0,005	-
Nimonic 80A	74,7	19,5	1,1	-	1,3	2,5	-	0,06	-	-
Nimonic 90	57,4	19,5	18,0	-	1,4	2,4	-	0,07	-	-
Nimonic 105	53,3	14,5	20,0	5,0	1,2	4,5	-	0,2	-	-
Nimonic 115	57,3	15,0	15,0	3,5	5,0	4,0	-	0,15	-	-

Типичный химсостав литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе

Сплав	%Ni	%Cr	%Co	%Mo	%Al	%Ti	%Nb	%C	%B	Zr	% др. элементов
B-1900	64,0	8,0	10,0	6,0	6,0	1,0	-	0,10	0,015	0,1	4,0 % Ta
MAR-M200	60,0	9,0	10,0	-	5,0	2.0	1.0	0,13	0,015	0,05	12,0 % W
Inconel 738	61,0	16,0	8,5	1,7	3,4	3,4	0,9	0,12	0,01	0,10	1,7 % Ta, 3,6 % W
Rene 77	58,0	14,6	15,0	4,2	4,3	3,3	-	0,07	0,016	0,04
Rene 80	60,0	14,0	9,5	4,0	3,0	5,0	-	0,17	0,015	0,03	4,0 %W

Фазовый состав

К основным фазам жаропрочных сплавов относятся:

1. Гамма-фаза является матрицей с г.ц.к. кристаллической решёткой. В твёрдом растворе этой фазы содержится большое количество Co, Cr, Mo, W
2. Гамма-штрих фаза образует частицы преципитата, имеющего также г.ц.к. кристаллическую решётку. В эту фазу входят такие элементы, как Al и Ti. Объёмная доля этой фазы, когерентной аустенитной матрице достаточно велика
3. Карбиды. Содержание углерода в сплавах относительно невелико. Он соединяется с карбидообразующими элементами — Ti, Ta, Hf
4. Зернограничная '-фаза. Эта фаза образуется в виде плёнки по границам зёрен в процессе термической обработки.
5. Бориды Выделяются по границам зёрен в виде редких частиц
6. Фазы т. п. у. имеют пластинчатую морфологию. Пример: фазы , и фаза Лавеса. Эти фазы приводят к охрупчиванию материала и являются нежелательными.

Термическая обработка

Деформируемые никелевые жаропрочные сплавы содержат в матрице дисперсные выделения карбидов типа MC. Гомогенизационный отжиг даёт возможность подготовить матрицу к получению равномерного распределения частиц упрочняющей фазы ' в процессе последующего старения. Для примера, для сплава Inco 718 гомогенизационный отжиг продлится в течение 1 часа при 768 °C, а старение проводится в два этапа: 8 часов при 718 °C и 8 часов при 621 °C. После гомогенизационного отжига важно выдержать скорость охлаждения, чтобы препятствовать выделению нежелательных фаз. Охлаждение между этапами старения проводится плавно в течение 2 часов.

Просмотров: 10171

<<< ЗМКБ Прогресс им. академика А. Г. Ивченко