Старение жаропрочных никелевых сплавов

В настоящее время во многих областях широко применяются газовые турбины (в судостроении, в авиации, на газоперекачивающих станциях и т.д.). Одним из важнейших элементов этих турбин являются лопатки из жаропрочных сплавов, которые должны сохранять работоспособность до 1000°С. Необходимые свойства лопаток обеспечиваются за счет химического состава (никель-хромовая основа с добавками алюминия, титана и некоторых других элементов) и специальной термической обработки - закалка с последующим искусственным старением. Дисперсионное твердение в этих сплавах обеспечивается благодаря выделению из твердого раствора мельчайших частиц интерметаллидов типа Ni3 Al, которые в сплавах данного типа обозначают как γ΄ - фазу.  Эта фаза имеет ГЦК-решетку, как и матрица, но параметр кристаллической решетки несколько отличается от матрицы и выделяющиеся из пересыщенного раствора частицы, будучи когерентны решетке матрицы, искажают ее и упрочняют, так же как это имеет место в дюралюминах.Выделения этой фазы происходят при высокой температуре (порядка 800 -900 °С) и эффективно упрочняют матрицу. Объемная доля частиц γ΄ - фазы и их температурная стабильность определяют жаропрочность сплава

 

 

Рис 6 Часть диаграммы состояния системы Ni - Al

 

Как видно из Рис 6, растворимость алюминия в никеле уменьшается с температурой, что приводит к выделению γ΄ - фазы из твердого раствора, как и в системе Cu – Al, однако здесь этот процесс протекает при гораздо более высоких температурах, соответственно, повышение твердости и прочности (дисперсионное твердение) с охраняется при высоких температурах, что обеспечивает жаропрочность сплавам. 

 

 

Рис 7 Выделения γ΄ - фазы в структуре никелевого деформируемого жаропрочного сплава, рабочая температура, Траб = 650° С

 

 

В структуре сплава, представленного на Рис 7, объемная доля γ΄ - фазы (непластичной) составляет величину порядка 10%.. Такие сплавы, в целом, достаточно пластичны и могут обрабатываться давлением, однако их жаропрочность не превышает 700° С. Один из основных путей повышения уровня жаропрочности – увеличение объемной доли γ΄ - фазы.Для этого увеличивают содержание алюминия в сплаве.

Кроме алюминия, в состав γ΄ - фазы современных жаропрочных сплавов входят так же титан, ниобий,, тантал, гафний. Они позволяют увеличить температурную устойчивость γ΄ - фазы. Эти элементы называют γ΄- образующими.

. На рис. 8 представлена идеализированная схема политермического сечения многокомпонентной диаграммы состояния жаропрочного сплава в координатах: “температура Т - сумма концентраций γ΄ - образующих элементов.”

 

 

 Рис. 8. Схематическое изображение участка псевдобинарной диаграммы Ni - ΣAl, Ti, Ta, Hf, Nb.

 

Рассмотрим фазовые превращения в сплаве I при повышении температуры. В интервале температур от комнатной до Т_н.р^γ΄ растворимость γ΄ - фазы в γ - твердом растворе отсутствует, и ее объемная доля остается постоянной и равной исходной. При дальнейшем повышении температуры начинаются процессы растворения γ΄ - фазы в твердом растворе, которые заканчиваются при температуре Т_п.р^γ΄. В интервале температур Т _S - Т_п.р^γ΄ сплав имеет однофазную структуру γ - твердого раствора. При температуре Т_S начинается плавление сплава, а при Т_L он полностью переходит в жидкое состояние.

 

Температуры Т_н.р^γ΄, Т_п.р^γ΄, Т _S и Т _L  являются характеристическими точками сплава и называются соответственно температурой начала растворения γ΄ - фазы, температурой её полного растворения (солвус) и температурой плавления (солидус) и температурой плавления ликвидус. Разность температур ΔТ= Т_L - Т_S называется интервалом кристаллизации сплава. На диаграмме имеется еще одна характеристическая точка, а именно температура эвтектической реакции Т_эвт^γ΄.

Указанные точки на диаграммах состояния непосредственно характеризуют стабильность жаропрочных сплавов. В частности, кривая температурной зависимости растворимости частиц упрочняющей γ΄ - фазы, а также положение на ней точек Т_н.р^γ΄ и Т_п.р^γ΄ позволяют судить о фазовой стабильности. Очевидно, из двух сплавов - I и II - последний будет предпочтительней, так как температура солидус у него выше, чем у сплава 1. Это означает, что при рабочей температуре Т объемная доля γ΄ - фазы в сплаве II будет выше по правилу рычага и, следовательно, он будет более жаропрочным по сравнению со сплавом I. Повышение жаропрочности достигается увеличением концентрации всех γ΄ - образующих элементов. Есть и второй путь повышения жаропрочности: сохранив сумму легирующих элементов постоянной, найти такое оптимальное соотношение между ними, чтобы температуры Т_п.р^γ΄ и Т _S  были выше (см. пунктирные линии на диаграмме).

 

 

Рис 9 Структура никелевого жаропрочного литейного сплава, Траб = 950° С

(светлые выделения γ΄ - фаза) –

 

Как видно из рис 9 непластичная γ΄ - фаза занимает больше половины объема сплава, поэтому такие сплавы не поддаются обработке давлением и являются литейными

.

Рассмотренные фазовые превращения происходят в соответствии с равновесной

диаграммой состояния, построенной при бесконечно медленных скоростях охлаждения или нагрева. На практике это условие никогда не выполняется, и реальные жаропрочные сплавы являются неравновесными системами, в структуре которых присутствуют фазы, не соответствующие диаграммам состояния. Например, в структуре литого сплава I может присутствовать неравновесная эвтектика (γ + γ΄), которая при последующей термической обработке полностью или частично растворяется.

Различные легирующие элементы неоднозначно влияют на положение характеристических точек в сложнолегированных жаропрочных сплавах. Тем не менее можно считать экспериментально установленным, что титан, алюминий, гафний, цирконий, молибден, вольфрам, тантал, оказывают положительное влияние на температуру солвус (кривую предела растворимости) сплава, т.е. повышают стабильность γ΄ - фазы.

Напротив, кобальт, хром, углерод, ванадий понижают Т_п.р^γ΄ . Вольфрам и рений в тех концентрациях, которые применяют при легировании жаропрочных сплавов (W до 12% вес., Re до 4 % вес.), повышают их солидус.

 

 

Мартенситно-стареющие стали

Мартенситно-стареющие стали отличает особый механизм упрочнения, основанный на выделениях иитерметаллидов типа Ni (Ті, Ai), Ni3Ti, Ni3Mo при нагреве 400—550 °С твердых растворов железа с никелем и добавками различных элементов замещения При этом обеспечивается  прочность σв= 1500--2000 МПа, а для ряда композиций до 2800 МПа. Максимальное упрочнение при старении достигается в безуглеродистых сплавах чтобы   предотвратить связывание легирующих элементов в карбиды. Поэтому образующийся при закалке таких сталей мартенсит сравнительно мягок (σв = 700—1100 МПа) и пластичен.