Диссертация Ариновой С. К.+. pdf


Основные положения легирования жаропрочных сплавов



бет16/48
Дата23.02.2022
өлшемі5.98 Mb.
#26172
түріАналитический обзор
1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   48

Основные положения легирования жаропрочных сплавов


Жаропрочные стали и сплавы – это материалы, которые работают при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложнонапряженного состояния. Главной характеристикой, определяющий работоспособность стали или сплава, является жаропрочность. Под жаропрочностью понимают способность материала при повышенных

температурах в течении определенного времени противостоять механическим нагрузкам [7].

Исследованиями российских и зарубежных ученых А.А.Бочвара, У. Беттериджа, М.В. Захарова, С.Т. Кишкина, И.И. Корнилова, Г.В. Курдюмова, А. Коттрела, И.Л.Миркина, И.А. Одинга, К.А. Осипова, М.В. Приданцева, Е.М. Савицкого, Р.У. Флойда, С.Б. Масленкова, Р.Е. Шалина, И.Л. Светлова, Е.Б. Качанова, В.Н. Толораия, В.В. Ртищева, Ч. Симса, В. Хагеля и др. разрешен ряд важнейших теоретических и практических задач по различным проблемам жаропрочности металлов и сплавов.

В настоящее время существуют следующие основные направления развитие жаропрочных материалов [8,9]:



  • получение монокристаллических изделий с заданной кристаллографической ориентировкой;

  • разработка жаропрочных сплавов на основе тугоплавких элементов;

  • разработка жаропрочных сплавов с заданной крупнозернистой матрицей и интерметаллидным упрочнением;

Все жаропрочные литейные материалы можно разделить на следующие условные группы [10.]:

  • сплавы на основе железа (жаропрочные стали);

  • сплавы на основе титана;

  • сплавы на основе хрома;

  • сплавы на основе кобальта;

  • сплавы на основе никеля.

Жаропрочные сплавы на основе Fe, Ni, Cr и Co и т.д. являются основными жаропрочными материалами, которые нашли свое применение в авиационных, морских, энергетических и металлургических установках. Существующие жаропрочные стали и сплавы представляют собой многокомпонентные твердые растворы на основе железа, никеля, которые упрочняются дисперсными выделениями избыточных фаз – карбидов, карбонитридов, боридов, интерметаллидов [11].

Сплавы на железной основе (стали) отличаются высокой прочностью, что достигается благодаря мартенситной структуре. Но при повышении температуры высокопрочные стали мартенситного класса оказываются наименее устойчивыми. Мартенсит распадается, происходит коагуляция карбидных образований. Матрица может быть основана на двух аллотропических модификациях железа: α- (феррит) и γ-(аустенит). Особенности этих решеток (различие растворимости в них легирующих компонентов, разная способность к образованию упрочняющих фаз) и обьясняют существенное различие между длительной прочностью ферритной стали, имеющий α – решетку, и аустенитной - с γ- решеткой. Максимальной жаропрочностью обладают γ – твердые растворы, имеющие предельную легированность, в то время, как переход к двуфазным α+γ структурами приводит к резкому снижению жаропрочности.

Жаропрочные сплавы на основе никеля отлично выдерживают высокотемпературные нагрузки. Применяются для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГТД), которые работают под нагрузкой при высоких температурах и кроме этого подвержены цикличной нагрузке и воздействию агрессивных сред [11, с.330]. Несмотря на сложность составов жаропрочных никелевых сплавов, можно сформулировать следующие принципы, используемые при их создании:


  • жаропрочные сплавы на основе никеля представляют собой основной (матричный) γ-твердый раствор на хромоникелевой основе, легированный кобальтом и тугоплавкими элементами-упрочнителями (Mo, W, Nb);

  • в сплавах обязательно присутствуют титан, ниобий и алюминий (суммарно до 8-10 %), которые обеспечивают образование главной упрочняющей фазы этих сплавов γ’-фазы.

Жаропрочные сплавы на основе никеля склонны к дисперсионному упрочнению. Основными элементами, упрочняющие твердый раствор на основе никеля, являются хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, гафний.

Элементы, образующие фазы внедрения и упрочняющие границы зерен за счет образования сегрегаций по границам зерен, это углерод, бор, цирконий и элементы из группы лантаноидов - лантан, церий, неодим и др.

Использование кобальта в качестве основы жаропрочных сплавов связано с тем, что он со многими элементами (Fe,Ni,Cr,Mo и др.) дает широкие области твердых растворов. Характерной особенностью кобальтовых сплавов является способность сохранять жаропрочность до температур, незначительно меньших температуры их плавления. При температуре около 980°С жаропрочность таких сплавов намного выше жаропрочности сложнолегированных сплавов на никелевой основе, которые, в свою очередь, отличаются от кобальтовых более высокой жаропрочностью при пониженных температурах 750-860 °С. Особенности структуры кобальтовых сплавов - высокая дисперсность и гетерогенность структуры - обеспечивают высокую устойчивость их против ползучести [12].

Сплавы на основе кобальта имеют очень высокую себестоимость. Жаропрочные сплавы на основе Co являются лучшими при низких напряжениях; обладают хорошими коррозионными свойствами, но не склонны к дисперсионному упрочнению. Наиболее часто данные сплавы легируются такими металлами, как железо, хром, никель, молибден и т.д. [13,14].




Рисунок 1.1 –Сравнительный анализ предела длительной прочности при 1000 часов жаропрочных сплавов на основе Fe-Ni, Ni, Co
Приложенное напряжение для разрыва в 1000 ч (МПа)

Все эти сплавы имеют высокую стоимость и имеют высокую плотность 7,8 т / м3 для Fe и 8,8 для Ni и Co ( рис.1.1).

Уровень жаропрочных характеристик сплавов на основе железа, кобальта и никеля различается. Это объясняется неодинаковой способностью твердых растворов на основе этих металлов к упрочнению, природой упрочняющих фаз, структурной стабильностью и уровнем технологического производства сплавов.

Легирование стали и сплавов для придания им жаропрочных свойств необходимо проводить элементами, которые повышают силы межатомных связей в твердом растворе и в упрочняющих фазах, при этом температуры рекристаллизации уменьшают диффузионную подвижность атомов растворителя и образуют дисперсные упрочняющие фазы. Легирующие элементы, упрочняющие твердый раствор, повыщающие силы связи в решетке, затрудняют диффузионные перемещения, уменьшают концентрацию и подвижность вакансий и, таким образом, повышают жаропрочность [15].

Одним из главнейших факторов жаропрочности является образование упрочняющих фаз. Элементы внедрения -бор, азот, углерод-имеют весьма ограниченную и переменную с температурой растворимость в твердом растворе, что приводит к образованию избыточных фаз-боридов, нитридов, карбидов или фаз смешенного состава.

Основным принципом создания сплава, обладающего высокой жаропрочностью, является принцип гетерогенности. Решающая роль в достижении высокой жаропрочности принадлежит характеру взаимодействия сосуществующих фаз. Легирующие элементы по характеру взаимодействия и влиянию на жаропрочность можно разделить на несколько групп:


  • элементы, растворяющиеся преимущественно в α -твердом растворе (α- стабилизирующие) - Cr, Mo, Со, Fe, Re;

  • элементы, растворяющиеся преимущественно в γ-фазе (γ- стабилизирующие) - Ti, Al, Nb, Та, Hf;

  • карбидообразующие элементы - Cr, Mo, W, V, Hf, Nb, Та, Ti;

  • микролегирующие элементы, упрочняющие границы зерен - С, В, Zr, La, Y, Се и другие РЗМ;

  • вредные примеси - Pb, In, As, Bi, Fe, Si, Cu, Sb, Zn, Cd, Те, TI, S, Ри др.

Следует отметить, что как ориентировочные при разработке сталей и сплавов, можно рассматривать диаграммы состав-жаропрочность, так как имеющиеся диаграммы для двойных и тройных сплавов не учитывают структурных факторов, которые могут очень сильно влиять на жаропрочные характеристики [16].

Таким образом, на основе проведенного анализа, можно сформулировать следующие основные положения теории легирования жаропрочных материалов, определяющие длительную прочность сплавов: 1. Максимальное упрочнение твердого раствора легированием элементами, создающими большие статические искажения решетки и сильно отличающиеся валентностью от материала основы;



  1. Введение тугоплавких элементов, образующие многообразные по своей природе и строению интерметаллидные фазы, упрочняющие границы зерен за счет образования сегрегации по границам зерен;

  2. Крупное зерно в структуре, что обеспечивает низкую протяженность границ и

«блокирует» диффузионный механизм разрушения;

На рисунке 1.2 схематично показана идеальная структура жаропрочного сплава: крупное зерно матрицы с равномерно распределенными изометричными достаточно дисперсными фазами –упрочнителями [17].


Твердый раствор
Когерентные выделения типа

Некогерентные выделения карбидов или дисперсоиды

Крупные зерна

Рисунок 1.2 – «Идеальная» струтура жаропрочного сплава




    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   12   13   14   15   16   17   18   19   ...   48




©emirsaba.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет