Жаростойкость. Жаростойкие стали .

Основными характеристиками материалов, работающих при высоких температурах, являются жаростойкость и жаропрочность. Способность материала сопротивляться химической коррозии в сухой газовой среде при высоких температурах называется жаростойкостью или окалиностойкостью. Сплавы на основе железа интенсивно окисляются при нагреве до температур выше 600ºС, что происходит вследствие образования при этих температурах рыхлого оксида FeO, вместо плотного слоя оксидов Fe O  и Fe O  из которых состоит окалина при более низких температурах. Основным фактором, определяющим жаростойкость, является химический состав, определяющий защитные свойства оксидной пленки. Металлы хром, алюминий благодаря плотной оксидной пленке с высокими защитными свойствами при нагреве имеют хорошую жаростойкость, они наряду с кремнием используются для повышения жаростойкости легированных сталей.

С учетом того, что высокое содержание кремния способствует охрупчиванию сталей и ухудшает технологическую пластичность при обработке давлением, алюминий затрудняет процесс выплавки стали, увеличивая вязкость шлака, основным легирующим элементом в жаростойких сталях является хром. Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали, тем выше окалиностойкость и рабочая температура сплава. Марки окалиностойких сталей приведены в табл.15.1

Та б л и ц а  15.1

   Окалиностойкость сталей

 

Окалиностойкость до температур, ºС,	600	800	800	900	1100
Марки сталей	15Х5	40Х9С2	12Х18Н9Т	08Х17Т	20Х23Н18

 

 

Окалиностойкость стали или сплава, существенно зависящая от состава, не зависит от его структуры: окалиностойкость ферритных(чисто хромистых) и аустенитных (хромо- никелевых) сталей практически одинакова.

15.2. Критерии жаропрочности.

При длительной работе при напряжении выше предела упругости, и при температуре равной или большей температуры рекристаллизации сплава, в материале происходит медленная пластическая деформация, называемая ползучестью. При деформации в этих условиях происходят два противоположных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение при рекристаллизации сплава. При преобладании второго процесса в металле происходит разупрочнение (отдых, рекристаллизация, коагуляция фаз), способствующие ползучести.

Кривая ползучести приведена на рис. 15.1. Участок оа упругая и пластическая деформация, возникающая в момент приложения нагрузки; участок ав - неустановившийся режим ползучести, вс – участок установившегося режима ползучести, металл деформируется с постоянной скоростью. Тангенс угла наклона прямой характеризует скорость ползучести.   

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Основными критериями жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности. Пределом длительной прочности называется напряжение, которое приводит к разрущению материала образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ _τ,где индексы t и τ указывают температуру(ºС) и время испытания (ч).

Пределом ползучести называется напряжение, которое вызывает заданную суммарную деформацию за определенное время при заданной температуре. Предел ползучести обозначают σ _δ/,τ где  индексы t и τ указывают температуру(ºС) и время испытания (ч), а δ- суммарное удлинение в %. Для деталей, длительно работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1% за 10  часов. Жаростойкие и жаропрочные материалы применяют для изготовления деталей установок, которые подвергаются механическим нагрузкам при высоких температурах.

 Для современных ТЭЦ, стационарных газовых турбин требуются материалы, работающие при  500 – 560^оС(до 650 ^оС) и при температуре более 700 ^оС соответственно.Для первых используются стали перлитного класса (12Х1МФ, 20Х1М1Ф1БР) и мартенситного классов (15Х11МФ, 15Х12ВНМФ), для вторых – аустенитные стали – их рабочие температуры достигают 700-750 ^оС. Если надежность работы конструкции зависит от ее деформации при ползучести, то характеристикой жаропрочности служит предел ползучести, определяющий скорость ползучести на установившейся стадии процесса (участок вс, рис. 15.1)

Если лимитирующим фактором надежности конструкции является опасность разрушения детали, то критерием жаропрочности служит предел длительной прочности, определяющий время до разрушения при заданных напряжении и температуре.

15.3. Факторы, влияющие на жаропрочность.

При температурах ниже 0,5 Т  деформация ползучести определяется стабильностью дислокационной структуры. При более высоких температурах активизируются диффузионные процессы, что ослабляет степень закрепления дислокаций, облегчает их перемещение по кристаллу. При этом сопротивление ползучести будет определяться силами межатомных связей. Поэтому в первом приближении жаропрочность можно оценить по температуре плавления, и в еще большей степени по температуре рекристаллизации, которая для сплавов составляет 0,6-0,8 Т . Однако температура плавления не дает указания на предельную рабочую температуру так как для одних сплавов она может быть 0,7-0,8,а для других 0,5 от температуры Т . Для повышения жаропрочности необходимо замедлить диффузию, поэтому в состав сплава целесообразно вводить легирующие элементы с высокой температурой плавления, повышающие температуру рекристаллизации. Скорость протекания диффузионных процессов зависит от типа кристаллической решетки. Сплав с решеткой ГЦК (аустенитная сталь) характеризуется более плотной упаковкой атомов, в отличие от ферритной стали с решеткой ОЦК, и благодаря этому коэффициент диффузии в сплаве с решеткой ГЦК примерно на два порядка меньше, чем для сплава с решеткой ОЦК. Аустенитная сталь с решеткой ГЦК имеет значительно более высокую жаропрочность, чем стали с решеткой ОЦК.

Создание препятствий перемещению дислокаций достигается применением материалов с дисперсионным упрочнением (специальные карбиды, интерметаллиды). Структура с дисперсными частицами достигается в сталях закалкой и отпуском, а в сплавах - после закалки и старения старением.

На скорость ползучести оказывает влияние размеры зерен сплава. При высоких температурах, когда механизм ползучести определяется диффузией, скорость ползучести снижается с увеличением зерна. Границы зерен уменьшают сопротивление ползучести так как являются источниками дислокаций, облегчают их движение, диффузию вакансий и зернограничное скольжение. Зерна перемещаются относительно друг друга вдоль границ. Смещение зерен при ползучести приводит к образованию трещин и пустот на границах, а в итоге к интеркристаллитному разрушению. Крупное зерно характерно для жаропрочных сплавов. Наибольшая жаропрочность будет у сплавов со структурой одного монокристалла, такая структура получена для ряда турбинных лопаток ответственного назначения.

Суперсплавы на основе никеля, способные работать при температурах, превышающих 1000 - 1500 ^оС, обычно подразделяются на две группы: жаростойкие сплавы для работы в качестве слабонагруженных деталей при температурах до 1520 ^оС и жаропрочные дисперсионнотвердеющие сплавы для работы в качестве высоконагруженных деталей (лопатки и турбинные диски) при температурах до 1000 ^оС.

Жаропрочные стали и сплавы.

Некоторые марки жаростойких и жаропрочных сталей и их свойства представлены в таблице 15.2. Стали перлитного класса упрочняются закалкой (или нормализацией) с последующим высоким отпуском при 640-700 ^оС, стали мартенситного класса закалкой с последующим отпуском при 600-750 ^оС; аустенитного с карбидным и интерметаллидным упрочнением – закалкой с последующим старением при 600-850 ^оС. Аустенитные стали со структурой твердого раствора используются в закаленном состоянии.

Т а б л и ц а  15.2.

 

Свойства жаропрочных сталей

 

Марки стали	Максимальная рабочая темпера- тура,^оС	Температура начала интен- сивного окисления^оС	Температура испытания ^оС	Длитель- ная прочность σ , МПа	Время в часах	Химический состав,% (средняя доля)
Перлитные стали
12Х1МФ	570-580	600	500 520	50 190	100 000 10 000	0,12 С; 1 Cr; 0,3 Mo;0,2V
Мартенситные стали
15Х12ВНМФ	600	650	550 600 600	150-190 140-160 60	10 000 10 000 100 000	0,15 C; 12 Cr; 0,3 Mo;0,2V; 1 W
Аустенитные стали
08Х18Н10Т (гомогенная сталь)	600	850	600 700	250 120 100	100 100 1000	0,08; 18 Cr; 10 Ni; 0,5Ti
37X12H8Г8МФБ (дисперсионно-твердеющая с карбидным упрочнением)	650	850	600 700	450 300	100 100	0,37 C; 12 Cr; 8 Ni; 8 Mn; 1,2 Mo;1,2V; 0,4 Nb
10Х11Н20Т3Р (дисперсионно- твердеющая с интерметаллидным упрочнением)	700	850	600 700	550 400	100 100	0,10 C;11 Cr; 20 Ni;2,6 Ti; 0,02 B

 

 

        Целью перспективных разработок суперсплавов является повышение надежности и экономичности за счет снижения содержания дорогостоящих легирующих элементов. Железоникелевые сплавы с высокими свойствами (ХН35ВТ, ХН35ВТЮ), хорошей обрабатываемостью и более низкой ценой, чем сплавы на никелевой основе.Сплавы упрочняются закалкой и старением.Сплав  ХН35ВТЮ применяют для изготовления турбинных лопаток идисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих притем Наиболее привлекательной областью применения суперсплавов являются авиационные двигатели. В области технологии производства лопаток газотурбинных двигателей наметился процесс перехода от равновесного литья к направленной и монокристаллической кристаллизации. Применение этих сплавов позволило поднять температуру газа на входе в турбину на 100-150 ^оС.Дальнейшее совершенствование жаропрочных никелевых сплавовза счет  совершенствования технологии выплавки и использования новых легирующих добавок. Таким элементом является рений  Re), при введении которого до 12% повышается температура плавления и температура растворения упрочняющей фазы Ni Al. Рений уменьшает коэффициент самодиффузии никеля и замедляет диффузионные процессы при рабочих температурах, он наиболее эффективно по сравнению с другими элементами упрочняет твердый раствор на основе никеля повышает рабочую температуру до 1150 ^оС и длительную прочность при1000 ^оС. Реактивные двигатели военных самолетов более чем на 50% изготовлены из суперсплавов, что позволило довести их ресурс до 10000 ч. до капитального ремонта.

Суперсплавы необходимы для изготовления турбин общего назначения для электростанций и наземных транспортных средств. Они являются материаль-ной основой создания топливных турбонасосов для жидкостных ракетных двига-телей, главных тяговых двигателей космических кораблей многоразового использования, стартовых силовых агрегатов самолетов. Суперсплавы применяют для изготовления специальных турбин с ресурсом более 100000 ч., способных работать на разных видах топлива в неблагоприятных условиях, например, морских нефтяных платформах. Некоторые из отечественных суперсплаов представлены в таблице 15.3.

                                                                                            Т а б л и ц а  15.3.

Состав и свойства никелевых Российских суперсплавов.

 

Марка сплава	Содержание  легирующих  элементов, %	sв, МПа     при t, ^оС			s0,2, МПа   при t, ^оС			Длительная  прочность на базе 1000 час., МПа		Рабочая      темп-ра ^оС
		20	700	800	20	700	850	700	800
ХН77ТЮР (ЭИ437Б)	<0,07C; 20Cr; 2,6 Ti; 0,8Al; ост. Ni	950	800	370	620	550	300	300	100	До 750
ХН55ВМТКЮ	<0,12 C; 10,5Cr; 5Mo; 5,5W; 14Co 4Al; 1,6Ti; 0,5V; ост. Ni	1000	900	700	750	700	500	600	320	До 850
ХН55ВМКЮ	<0,1C; 9,5Cr; 7,2 Mo; 6,7W; 5,7Al; 12Co; ост. Ni	1100	1080	1000	750	750	700	-	310	До 950

                                                                                               

                                                                                                 

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ