Навигация

Главная » Мануалы

1 2 3 4 ... 19

Суперсплавы

За прошедшие годы было предложено много определений термина суперсплавы. По нашему мнению, это сплавы, имеющие в основе элементы VHI группы, разработанные для эксплуатации при повышенных температурах и проявляющие в совокупности достаточную механическую прочность и устойчивость поверхности. Прогресс в развитии суперсплавов сделал возможным создание современных реактивных двигателей со все более высоким отношением развиваемой тяги к собственной массе двигателя. Суперсплавы играют жизненно важную роль в промышленных газовых турбинах, углеперерабатывающих и других установках, в которых действуют высокие температуры и сильно агрессивные среды.

Книга Суперсплавы , опубликованная в 1972 г., была первой исчерпывающей монографией по данному предмету. К двадцати главам, представленным двадцатью восемью специалистами, была приложена подборка фазовых диаграмм и сведений о механических свойствах и химическом составе многих промышленных суперсплавов. Несколько лет назад стало ясно, что требуется переработка, настолько интенсивным оказался прогресс в области выплавки, легирования и способов обработки. В последние годы опубликованы прекрасные работы, но ни одна из них не дала столь полного изложения предмета, как Суперсплавы .

По этой причине в начале 1985 г. редакторы решили подготовить новую книгу примерно того же объема, но с акцентом на новые разработки - увеличение роли порошковой металлургии, решительный переход на направленно закристаллизованные и монокристаллические суперсплавы и т.д. Хотя многие главы были полностью переписаны (а некоторые вообще написаны другими авторами), есть главы, содержание которых просто интенсивно обновлено (например, Природа упрочнения , Сплавы на основе никеля ) или оставлено почти неизменным (например, глава о сварке). Поскольку современные суперсплавы работают при температурах, при ближающихся к уровню 90% их абсолютной температуры плавления, возможности дальнейшего совершенствования газовых турбин ожидают от новых материалов: керамики, тугоплавких металлов (ниобия), композитов, интерметаллических соеди-

нений. Поэтому в новую книгу включена глава, посвященная материалам, которые должны прийти на смену суперсплавам. С другой стороны, из книги исключены главы, посвященные обработке резанием и сплавам на основе хрома. К услугам материаловедов-разработчиков и для полноты картины в книгу введена также новая глава о проектировании суперсплавов.

Как и в предыдущем издании, в каждой главе поставлено целью дать и научные, и технические основы, необходимые для понимания рассматриваемых в ней проблем. Посвящение целой главы направленной кристаллизации или только деформируемым сплавам прямо свидетельствует, насколько быстро и постоянно происходит внедрение новых методов обработки.

Следует отметить, что хотя авторы данной книги все из США, она достаточно полно отражает результаты активного исследования, разработок и применения суперсплавов в Японии, странах Западной Европы и Советском Союзе. Примером активной работы в этой области, проводимой странами Европейского сообщества, могут служить программы COST 50 и COST 501. Полагаем, что книга Суперсплавы П может быть использована в совокупности со сборниками трудов по суперсплавам таких регулярных конференций, как Seven Springs Meetings в США и изданий COST по материалам конференции в Бельгии. Это позволило бы полностью характеризовать положение суперсплавов и в промышленности, и в торговом обмене.

Для облегчения чтения текста его математическое обеспечение было сокращено до минимума. Можно верить, однако, что несмотря на это, авторам удалось сохранить особую полезность книги как учебного пособия для колледжей и ускоренных курсов по суперсплавам. В приложении Б приведен перечень официальных торговых марок сплавов.

Редакторы выражают особую признательность авторам, потратившим много времени и усилий на подготовку своих глав, а также на критические замечания по тексту, его проверке и предоставлении необходимой информации авторам книги.

Троя, Нью-Йорк Энн Арбор, Мичиган Октябрь 1986 г.

Честер Т.Сиж Норман С.Столофф Уильям К.Хагель 15



Часть 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Глава 1. СУПЕРСПЛАВЫ, ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ПРИРОДА

Честер Т.Симс {Chester T.Sims, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York)

Суперсплавы представляют класс материалов, который трудно вместить в какие-лвбо строгие рамки. Одвако опреДеленве, прввятое в кввге Суперсплавы' [1] около 14 лет назад, оказалось вполне приемлемым: Суперсплав- это сплав, как правило, ва основе элементов VIII группы периодической системы, разработанный для эксплуатации при повышевной температуре под воздействием сраввительво высоких мехаввческих нагрузок в условиях, при которых от материала часто требуется высокая поверхностная стабвльность .

Различают три основных класса суперсплавов в соответствии с их основой: никелевые, кобальтовые и суперсплавы на основе железа. Кроме того, выделяют важную подгруппу суперсплавов, содержащих в значительвых количествах и никель, и железо и обладающих металлургическими характеристиками, аналогичными таковым у сплавов ва основе ввкеля. Их называют железоникелевыми супер-сплавами.

Из широкого набора металлургических материалов, поставляемых на рынок, суперсплавы эксплуатируют при температурах, наиболее близких к температуре плавления. Реализовать в очень большой мере возможности технологии высоко-температурвого машиностроения удалось благодаря суперсплавам. Ови работают на переднем крае газовых турбин, приводящих в движение реактивные самолеты. В свою очередь применение реактивных двигателей явилось главным стимулом для соэдавия и применевия суперсплавов. Однако помимо газовых турбин воздушного, морского, автомобильвого травспорта и промышленного вазначения суперсплавы находят применение в космических кораблях, ракетных двигателях, атомных реакторах, подводных лодках, паровых теплоцентралях и нефтехимическом оборудовании. Многие суперсплавы (возможно, 15-20% из них) разработаны для использования в качестве коррозионно-стойких материалов. Настоящая книга посвящена главным образом рассмотрению вопросов, касающихся высокотемпературного применения суперсплавов. Но значительную часть приводимых в ней сведений можно отнести и к проблемам эксплуатации в коррозионных средах. Коротко эти сведения будут рассмотрены ниже.

В данной главе сделана попытка рассказать историю суперсплавов. Часть разделов посвящена полезному в техническом и научном отношении анализу излагаемых в хронологическом порядке сведенвй о поведении суперсплавов и особенностях их изготовления. В том числе дана оценка важным факторам, касающимся собственности и других внешних сторон проблемы, игравшим побудительную роль при создании этих необычных и действительно ключевых материалов. В этой главе дано некоторое представление об экономике и применении супер-сплавов, но главное ее предвазваченне в том, чтобы послужить введением и фоном для последующих глав.

1.1. Истоки и применение

Всю свою историю люди придумывали и создавали для собственных нужд различные механические устройства. Сотни лет назад, может быть с первыми практическими сведениями о мощи восходящего теплого воздуха (рис. 1.1,а), стало очевидно, что рост полезного действия устройства связан с использованием повышенных температур. В дальнейшем этот вывод, уже обоснованный термодинамически, привел к брай-тоновскому циклу- важнейшей физической доктрине, согласно которой более высокие рабочие температуры (вкупе с более низкими температурами теплоотводной среды) обеспечивают более эффективное действие устройства (см. гл.2).


Рис.1.1. К происхождению газотурбинного двигателя:

а - первая газовая турбина, которую можно использовать в домашних условиях; заимствовано из сочинения епископа Гиббонса Математическое волшебство , 1648 г. [7]; б - ротор первой удачной промышленной газовой турбины, конструкция Эгидиуса Эллинга [2]

Брайтоновскую концепцию реализовали в ротационных двигателях, и в XIX в. начали появляться относительно совершенные паровые турбины. В начале XX в. в Европе в качестве энергетических установок использовали газовые турбины. Первая успешно примененная турбина сконструирована норвежцем Эгидиусом Эллингом [2]. С наступлением XX в. изобретательное человечество быстро прогрессировало, создав бензиновый двигатель и осуществив полет на пропеллерной тяге по существу параллельно с разработкой турбинных двигателей.

В первые десять лет работы над созданием двигателя поняли, что аэропланам требуется устройство, повышающее



давление подачи топливно-воздушнои смеси в двигатель внутреннего сгорания, поскольку давление атмосферного воздуха понижено на высотах, где летит аэроплан. Работа проводилась в Европе и Соединенных Штатах. Одно из усилий, предпринятых Стэнфордом Моссом из Корнельского университета совместно с фирмой Дженерал электрик и армией США, увенчалось созданием самолетного двигателя с турбо-наддувом. Это нововведение ускорило деятельность по непрерывному совершенствованию металлических сплавов и по существу выдвинуло разработку и создание высокотемпературных металлических материалов в США на ведущее место в мире.

Вслед за этим возник технологический феномен чрезвычайной важности. Прогресс в аэродинамической теории привел к изменениям в мышлении конструкторов Англии, Германии и Италии. Они уяснили, что из-за вихревого сопротивления на две трети снижается мощность самолета, летающего на обычной тяге, применили к осевым компрессорам и турбинам прандтлеву теорию крыла ( несущей плоскости ) с ее концепцией подъемной силы и поняли, что сверхзвуковые реакции на кончиках пропеллеров не позволят аэропланам двигаться намного быстрее 650 км/ч. В совокупности эти три фактора привели к технологическо] парадигме - концепции самолета с реактивным двигателем. И это была не эволюция, а революция.

Понятие реактивный самолет заняло свое место в общественном сознании вместе с полетом, совершенным в 1937 г. на самолете фирмы Хейнкель с турбинным двигателем Ганса фон Охайна в Германии, а также - независимо от этой разработки - полетом на самолете с двигателем Уиттля в 1939 г. в Англии. Ряд ключевых событий из истории этого процесса представлен на рис. 1.2 [7].

С появлением новой технологии конструкторам стало ясно, что дальнейший прогресс произойдет с переходом к еще более высоким температурам и что для выполнения необходимых работ потребуются новые материалы. С тех пор огромное значение от прогресса в области реактивной тяги и создания промышленных газовых турбин приобрела развивающаяся технология машиностроения. Самым решительным образом этот прогресс зависел и от работоспособности жаропрочного сплава. Область технологических разработок, тре-


tt ш


о to



бующих создания высоконадежных суперсплавов, определяется конструкцией газотурбинного двигателя и включает его диски, лопасти (или лопатки'), камеры сгорания и многие другие детали (см. гл.2 и рис. 1.9).

Металлургия развивалась от века меди и железа до эпохи более прочных и коррозионно-стойких сплавов. В период 1910-1915 годов были открыты и разработаны нержавеющие аустенитные стали. Существенно при этом, что гамма-рещет-ка (г.ц.к.) аустенитной нержавеющей стали явилась фактически той надежной основой, на которой возникли и развивались суперсплавы. Правда, в те времена разработка сплавов для турбонагнетателя шла традиционно, путем упрочнения ферригных сталей.

В 1929 г. Бедфорд и Пиллинг {Bedford, Pilling) и фактически одновременно Мерика {Merica) добавили небольшое количество Ti и А1 в известный к тому времени Сг-Ni сплав 80/20 (г.ц.к.). Получили значительный прирост сопротивления ползучести, и, таким образом, появление суперсплавов случайно совпало по времени с парадигмой реактивного двигателя [8]. Вслед за этим в Англии, Соединенных Штатах и Германии эдисоновские опыты успешно завершились созданием прочных сплавов, построенных из твердого раствора хрома в никеле (у-фаза) с аустенитной структурой, карбидов и мелкодисперсных частиц фазы, выделяющейся в процессе старения. Однако даже спустя почти десять лет когерентные выделения зг-фазы, этой жизненно важной фазы с решеткой г.ц.к., еще не были обнаружены прямым наблюдением [9]. Одновременно на конкурентной основе разрабатывали аустенитные карбидоупрочняемые сплавы на основе Со, поскольку из них легче было получить отливки сложной формы.

Параллельные технологические разработки, связанные с развитием реактивного двигателя, требовали все более прочных аустенитных сплавов, ибо стало ясно, что потенциальные возможности двигателя этого нового типа беспредельны.

1 в англоязычной литературе их называют blades применителыю к самолетным двигателям и buckets применительно к промышленным турбинам. Прим.перее.

С начала 1940-х гг. и второй мировой войны история суперсплавов складывалась из все более новых усовершенствований путем создания новых композиций и процессов производства. Сначала в течение длительного времени создавали тяговые реактивные двигатели для военных целей. Но в дальнейшем энергетические и транспортные предприятия все более нуждались в газовьк турбинах для электростанций, газопроводных насосов и других приводных устройств. При создании подобных турбин нередко требовались суперсплавы с различными характеристиками. По существу в пятидесятых и шестидесятых годах нашего века разработка суперсплавов приобрела характер взрыва, так же как и развитие процессов их производства в семидесятых и восьмидесятых.

Историю этих разработок творили люди и компании преимущественно в США и Англии. На рис. 1.3 [7] приведены имена наиболее выдающихся разработчиков и компаний, занятых производством суперсплавов (для иллюстрации при каждом имени указано по крайней мере три марки суперсплавов, разработанных данным лицом и нашедших промышленное применение).

Фришия Япония

Германия

Великобрнтио-л

Rene вон

Waspaloy N-105 РК~3 - и.710 и-ХгЬ'чМс ~

OjmwaunaS Джим Болдуин

Inconel 601,-615,-71в,-Э0Л~ ~В-1900 В-1914 PWA~69it

Мюррей Кауфмам Дэннси - Хоклин -Лунд - Уолдс ~S£L-15 SE.L CS-27~ MM-ZtS MM-ZW ИМ-OOZ M~00i<

пм-оое ми-007 MM-D09

Кларенс Бнбер

~Inco~el-X Inconel-700 Marnging Steels in-713C IN-lOO in-10Z IN-16z n~iTn-738 IN-73Z

Рудн Тнлемани

~ ~W SM-302 SM-3?2 r-№ WttSpolOlj m-200 ~1~г мм-217

rioHtq, Monmj хэл Укган

A-2SS S-590 S-816 MM-322 MM-509 MM-tZI MM-gi8

Компании

Allegheny Allison Cttnnon-Muskegon Carpenter Cyclops General Electric Haynes Stellite Huntington INCO Dessops Krupp Martin PWA Special Metals TRW westinghouse Wiggin

N 80 X-40.

JN-X S-fl16AWA5PALOYJ13CU7DON10061900J8G Ш7за MM-ZOO Silkl Nt P1t80

Рис.1.3. Страны, компании и специалисты, сыгравшие ведущую роль в разработке суперспланов [7]



1.2. Развитие технологии

Химический состав

Процедура получения права собственности на суперсплавы и на использование суперсплавов заключается главным образом в приобретении патента на их химический состав. Последний является сердцевиной технической спецификации - физической и юридической заявкой на данное твердое вещество. На рис.1.4 показаны тенденции изменений в химическом составе на протяжении длительного времени. Поскольку состав очень сложен, содержание элементов дано не в точном масштабе (соответствие 100% не выполняется), а лищь в наглядном отражении количественных тенденций. До начала 1930-х годов сплавы создавали только на основе Fe или Ni, добавляя в них значительное количество Сг, чтобы обеспечить достаточную стойкость против окисления. Небольшие добавки А1, Ti и/или Nb порождали когерентную фазу у', отличающуюся хорошим сопротивлением ползучести. В некоторых случаях возникали и скрытые охрупчиваютцие агенты, вроде колоний MjjCg. На этом этапе были созданы сплавы Rex 78, К42В, Nimonic 75 и 80, Inconel X.


® ®

Co

N1 Cr

?7>-- +A1 +Nb

N-80 X-4D [N-X S-816

f930

.IN1I10B1900AR80 IHyJBA Kn-lW Ъ'ИП ANIi РЦ83 .

1970

1980

Рис.1.4. Качественное сравнение тенденций в изменении химического состава суперсплавов (схема) [7]

Можно видеть, что в 1930-х годах использовать Fe в качестве основы сплавов в основном перестали и предпочли ему Ni и Со, ибо последние обеспечивали стабильную и более прочную г.ц.к. матрицу. В 1960-х стало ясно, что Сг- 22

главный элемент, обеспечивающий системе стойкость к окислению, мешает повышению ее прочности. Однако неосторожное чрезмерное снижение содержания хрома порождало проблемы горячей коррозии (например, применительно к сплаву 1псо-713С) и заставляло относиться к использованию этого элемента более взвешенно (пример - сплав IN-738). Добавки А1, Ti и Nb, предназначенные для образования у'-фазы, конечно, никогда не вводили в чрезмерных количествах. В противном случае за счет различных механизмов могли возникнуть затруднения структурного характера. Роль алюминия заключается главным образом в образовании у'-фазы, а способность к образованию защитных оксидов делает его наиболее важным из этих трех элементов.

В конце 1940-х гг. обнаружили (впервые - на сплаве М-252), что добавки Мо обеспечивают существенное дополнительное твердорастворное и карбидное упрочнение. А вскоре для этой цели стали применять и другие тугоплавкие элементы: W, Nb, Та, и в наши дни - Re. В сложном наборе реакций с у'-фазой, карбидами и матрицей участвует Hf.

С углеродом, конечно, всегда были сложности. В ряде случаев матричные карбиды, как продукт твердофазных реакций, выступают в качестве точечных упрочнителей. Карбиды (и Zr, и В) оказывают благоприятное влияние на границы зерен. Однако современному поколению монокристаллических сплавов Сг, Zr и В, как правило, не нужны, ибо в этих сплавах нет границ зерен.

Итак, на протяжении многих лет (1950-1970) все большие количества различных элементов вводили в суперсплавы, чтобы оказать определенное влияние на их механические и химические свойства. В 1980-х гг. оказалось, что достигнув максимального уровня свойств, начинают удалять из сплавов некоторые элементы, восполняя их роль усовершенствованием процессов обработки. В табл.1.1 сравнивают составы двух сплавов, разработанных в 1930-х гг., с составами ряда сплавов, получивших распространение в наши дни. Важно заметить, однако, что большинство сплавов-ветеранов продолжают жить. В частности, Nimonic 80А, Inconel X и Х-40 предназначаются сегодня для многих критически важных деталей, где их свойства по-прежнему приемлемы.

Состав аустенитных суперсплавов очень сложен



и

О

H и

12 Э

о о

о

о

о

о

о т

о


(см. табл.1.1.). Большая доля основы (Ni+Co - примерно 50 %) - добавка, повышающая стойкость поверхности (Сг -примерно 10-15%) и элементы, образующие у'-фазу (Al+Ti-около 4-8%). Такая схема установилась примерно три десятилетия назад и в настоящее время меняется незначительно. Наиболее популярная акция сегодня - изменение содержания малых добавок - является результатом интуитивных решений.

Согласно классической равновесной металлургии химический состав сплава определяет, какие твердые фазы в нем присутствуют. В свою очередь фазы порождают видимую микроструктуру. Поэтому в физическом понимании суперсплавы характеризуются химическим составом, фазовым составом и микроструктурой. Фазовому составу суперсплавов посвящен следующий раздел.

Фазовый состав

На рис. 1.5 приведены наиболее важные физические фазы (идентифицированные за последние 50 лет), которые ответственны за уникальное упрочнение суперсплавов. Некоторые фазы пагубно влияют на, поведение суперсплавов. Они также идентифицированы. Конечно, все фазы потенциально способны реагировать друг с другом и с матрицей сплава. В наиболее тяжелом режиме эксплуатации конструкционный суперсплав превращается в нагретый до белого каления объект, в котором в условиях химической динамики, твердые фазы претерпевают непрерывное изменение при температурах .лишь на несколько градусов ниже температуры плавления.

Матрица суперсплавов всегда представляет собой плотно-упакованную аустенитную фазу с решеткой г.ц.к. Рис. 1.6 иллюстрирует область структуры г.ц.к. в трех удобных пространственных изображениях в виде простой тройной фазовой диаграммы, типичной четверной и полярной. Аустенит появляется из небольшой области г.ц.к. в системе Fe-Сг, введение никеля или кобальта приводит к расширению этой области. В большинстве случаев железо практически полностью исключают из состава сплавов. Таким образом, у истоков суперсплавов находится нержавеющая сталь. Основной вклад в уровень механической надежности сплава вносит твердорастворное упрочнение матрицы. Избранные варианты




подобных фазовых диаграмм приведены в приложении А.

Карбидные фазы оставались главными упрочняющими фазами матрицы вплоть до 1929-1930 гг., когда удалось образовать в аустените кубическую у'-фазу (y-NijAl). Она присутствовала и в английском сплаве Nimonic 80, и в немецком Tinidur. Это необычная упрочняющая фаза, ибо по составу она очень близка к матрице, может быть обильно легирована, ее прочность увеличивается с ростом температуры, она обладает собственной высокой противоокислительной стойкостью. Далее, в начале 1950-х работы Айзельштайна (Eiselstien) над сплавом IN-718 привели к открытию уникальной фазы у . В то время как фаза у' имеет простую решетку г.ц.к., решетка фазы у - объемноцентрированная тетрагональная (о.ц.т.), т.е. представляет собой упаковку из двух кубов.


Рис.1.6. Фазовые диаграммы, иллюстрирующие область у' -фазы с решеткой Г.Ц.К.; основа для разработки аустенитных суперсплавов:

а - тройная диаграмма состояния системы Ni-Со-Сг при 1200 б - четверная диаграмма состояния Со-Ni-Сг-Мо при 1200 °С; в - полярная диаграмма состояния сплавов на основе Сг-10W в зависимости от содержания легирующих элементов первого длинного периода таблицы Менделеева

В настоящее время в никелевых и кобальтовых суперсплавах присутствуют главным образом карбиды типа MjjCg и MgC, легко поддающиеся воздействию термической обработки. Медленно распадающиеся карбиды типа МС используют в качестве стока для углерода в процессе эксплуатации сплавов. Подробности поведения у'-фазы приведены в главах, посвященных сплавам конкретного класса.

Если легирование превышало способность аустенитной



матрицы сдерживать фазообразование, возникали такие нежелательные соединения, как фазы ц, б, Лавеса. Задача металлурга, работающего с данным сплавом, - избежать подобных явлений, пользуясь различными средствами управления формообразованием (см. гл.8). Не так давно металлургия фазовых диаграмм вышла на новый уровень познания и практической разработки опытных эвтектических суперсплавов, упрочняемых непрерывными направленными эвтектическими пластинами, которые образуются в процессе затвердевания расплава.

Какие фазы образуются в суперсплавах, каковы процессы их возникновения и реакции, как ими управлять- вот основные сведения, необходимые для успешной разработки состава сплавов и технологии их обработки.

Микроструктура

Образование фаз определяется химическим составом, а фазы, в свою очередь, порождают микроструктуру. Мы уже упоминали, что первые металлурги, разработавшие суперсплав, не замечали тончайших когерентных частиц преципитата зг-фазы, которые сделали их сплавы прочными и эффективными. И только с появлением электронной микроскопии 1950-х гг. начали по настоящему понимать видимую (т.е. физическую) связь поведения суперсплавов с типом и чрезвычайной сложностью образующих его фаз. Еще позднее разобрались во взаимодействии дислокаций с элементами структуры сплавов системы y/y.

На рис.1.7 представлен набросок микроструктуры суперсплавов при увеличении около 10000 (оригинал уменьшен примерно в 4 раза) в виде панорамы ее 50-летнего развития, которое сопровождалось непрерывным возрастанием прочности в сочетании с приемлемой пластичностью. Этому сочетанию соответствует структура в зоне, составляющей верхние две трети рисунка. В структуре нижней трети рисунка присутствуют некоторые фазы, которые, как оказалось, вызывают охрупчивание, снижение прочности и порождают ряд других проблем.

С начала 30-х и 50-х гг. нашего века для повышения прочности сплавов стремились все более наполнить их структурой . В 50-х годах усилилось стремление ввести в


ч AW-8D -WtlN-X S-816AWASPALDy 713CU73DAlW100BMHBD Ш738а MH-2D0 ж 15247 RWt PlWO

f9t0 1950 1960 то 1980

Рис.1.7. Панорама развития микроструктуры никелевых суперсплавов; приведены и полезные и вредные фазы [7] (РВ - равновесные выделения Т)-фазы; ДУ - при дисперсном упрочнении оксидными частицами; НК - при направленной кристаллизации; МК - в монокристалле; КК - фаза в виде кирпичной кладки; В - волокна ТаС; ИВ - игольчатые выделения

сплав побольше упрочняющих элементов, однако в конечном счете это привело к значительным затруднениям, вызвав появление охрупчивающих фаз, таких как фазы б или Лавеса. 50-е годы стали свидетелями и создания очень сложной структуры границ зерен. Карбиды гам были заключены в оболочку из зг-фазы, так что зерна скреплялись друг с другом посредством дисперсно-упрочненного слоя. В 1970 г. открыли гафниевый эффект, и структура с карбидами в оболочке у'-фазы стала менее актуальной. Гафний повышает прочность и пластичность в значительной мере механически , поскольку вызывает закручивание границ зерен. Помимо этого он участвует в образовании дополнительных количеств у'-фазы [10].

В последующие годы обработка методом направленной кристаллизации, позволяющая получать однонаправленные структуры, однонаправленные границы зерен и даже однонаправленные упрочняющие волокна (например, ТаС). Эти структуры (см. рис.1.7) были созданы в 70-х и 80-х гг. Наконец мы видим однонаправленные гомогенные монокристаллические структуры. Недавно, применив термическую обра-



ботку, получили поперечные пластины у'-фазы в монокристаллах, что привело к еще большему упрочнению. (Сплавы, обработанные направленной кристаллизацией, и монокристаллические чрезвычайно важны, поэтому гл.7 целиком посвящена этой теме).

У кобальтовых суперсплавов микроструктура (см. гл. 5) не так сложна, как у никелевых. Сопротивление ползучести у кобальтовых сплавов зависит главным образом от твердо-растворного упрочнения и от взаимодействия карбидов с дефектами решетки, - дислокациями и дефектами упаковки. Упрочняющая у'-фаза в кобальтовых сплавах не образуется, но металлурги стремятся использовать различные комбинации карбидов (например, МС, М^С и MjC), пытаясь достичь такого же упрочнения. Сплавы на основе железа, созданные в 30-х гг., были аналогичны кобальтовым. Однако никелевые сплавы с высоким содержанием железа (см. гл.6) сложнее, в них образуется и у'-, и у -фазы. Поэтому можно считать их никелевыми сплавами, которые сильно разбавлены железом. Таким образом, металлурги, специализирующиеся в области суперсплавов, разработали и реализовали практически ряд упрочняющих реакций. Это позволило создать сложную структуру, являющуюся продуктом взаимодействия элементов и образованную вполне самостоятельными фазами, которые по сложности не имеют себе равных.

1.3. Работа над свойствами

Физические свойства

Ряд основных физических свойств трех элементов группы vniA приведен в табл.1.2.

Таблица 1.2. Некоторые физические свойства элемеитов-осиовы суиерсплавов [11]

Кристаллическая Температура Плотность, 1оэффициент Теплопроводность ,

плавления, г/см теплового (кал/смс)/

ос расширения , /(ОС/см) ос 10-6

структура

Со г.п. Ni г.ц.к. Fe о.ц.к.

1493 1452 1535

8,9 8,9 7,87

12,4 13,3 11,7

0,215 0,165 0,175

При комнатной температуре. 30

Остановимся на нескольких факторах. Например, типичная кристаллическая структура - г.ц.к. - плотноупакованная. Это наилучшее расположение атомов для сохранения прочности до температур, очень близких к температуре плавления (Со приобретает структуру г.ц.к. при высоких температурах). Для самолетных двигателей критическим свойством является плотность, она колеблется вблизи 8,4 г/см в зависимости от сочетания основы и легирующих элементов. 10%-ное снижение плотности от 8,67 до 7,87 г/см (от 0,31 до 0,28 Ib/in) может втрое увеличить долговечность диска либо позволить значительно понизить его массу [и].

Низкий коэффициент а термического расширения сплавов на основе никеля или кобальта (в сравнении со сплавами на основе железа) помогает эксплуатировать детали при пониженных зазорах и достигать максимального коэффициента полезного действия. Высокая теплопроводность помогает охлаждать детали горячих ступеней турбины.

Механические свойства

Главная причина жизнеспособности суперсплавов в том, что они сохраняют выдающуюся прочность в интервале температур, при которых работают детали турбины. Их плотноупакованная решетка г.ц.к. обеспечивает длительную сохранность относительно высокого сопротивления активному растяжению, высокой длительной прочности, стойкости против ползучести и термомеханической усталости. Эти свойства длительно сохраняются вплоть до гомогологических температур значительно более высоких, чем у эквивалентных систем с решеткой о.ц.к. Свой вклад дают и такие характеристики решетки г.ц.к., как высокий модуль упругости, обилие систем скольжения, низкий коэффициент диффузии легирующих элементов. Для прочности сплавов чрезвычайно важна высокая растворимость легирующих элементов в аустенитной матрице, их физико-химические характеристики, обеспечивающие выделение в процессе старения таких интерметаллидных фаз, как у' и у . Упрочнения можно достичь также за счет легирования твердого раствора, выделения карбидных фаз в процессе старения и использования их для управления границами зерен за счет направленной кристаллизации и соз-



Дания монокристаллической структуры. Чрезвычайной способности Ni-Co-Fe-аустенита к полезному упрочнению недооценивать нельзя.

На рис.1.8. проведено сравнение различных систем сплавов. Сплавы некоторых тугоплавких металлов при высоких температурах прочнее, однако они никогда не могли служить в условиях окисления. По сочетанию стойкости против окисления и прочности суперсплавы не имеют себе равных. В окислительных атмосферах стойки сплавы на основе металлов платиновой группы, однако их прочность низка. Естественно, что основная задача настоящей книги содействовать

1000

Pt СПЛ)

Нержавеющие стали H&V

Ni суперсплавы

СталисП%Сг

Углеродистые сплавы Cr-Mo-V стали

500 1000 1500

Рис.1.8. Относительная стойкость сплавов различных систем против окисления и замедленного разрушения (мера стойкости против окисления - температура образования поверхностного оксидного слоя толщиной d = 100 мкм в течение 10000 ч, а стойкости против замедленного разрушения - температура разрушения при С = 1400 МПа за то же время)

пониманию тех факторов, которые обеспечили суперсплавам превосходство в прочности.

К 1950 г. ведущие металлурги, специализирующиеся в области суперсплавов, обладали хорошей подготовкой в отношении многих методов упрочнения. Сталкиваясь с постоянным требованием непрерывно увеличивать разрывные свойства и длительную прочность при все более высоких температурах, они отвечали добавлением возрастающих количеств тугоплавких металлов в стремлении использовать карбидные и твердорастворные эффекты. Чтобы повысить безопасно допустимое содержание зг-фазы, увеличивали концентрацию алюминия и титана. Прочность действительно повышалась, об 32


HS21 ON60A

WAIPALOy Г1°5г

,5 U700

TRWI/IA ММ 200 О

о

1 73в

1М509

Ц° в

О

мм?..-- -

lOt о( 80 Сотое -RNH

Рис.1.9. Хронология изменения длительной прочности при 875 °С и дли-

тельной пластичности при температурах от 550 до 925 °С суперсплавов. Рисунок иллюстрирует результат внимательного отношения к исследованию разрушения суперсплавов [7]. Перечислены различные факторы, явления, процессы, технологические методы и- характеристики, ставшие предметом исследования (БК - быстрая кристаллизация; ПР - плазменное распыление; НК - направленная кристаллизация; МС - монокристаллическое состояние; ГИП - горячее изостати-ческое прессование; ДУ - дисперсное упрочнение оксидными частицами; ПМ - порошковая металлургия)

этом свидетельствует улучшение механических свойств при активном растяжении и увеличение длительнойпрочности удачно обработанных сплавов. Интересы сосредоточились на сплавах с никелевой основой, ибо благодаря з'-фае им можно было придать более высокую прочность и стойкость к окислению, чем сплавам на основе кобальта.

Как это обычно бывает, повышение прочности сопровождалось соответствующим понижением пластичности (рис.1.9). К 60-м годам пластичность таких широко применяемых сплавов, как IN-100, Rene-100 и В-1900 подошла к нижнему допустимому пределу. Металлурги шутили, что величины удли-

2 Зак. 1091



1 2 3 4 ... 19