2.2 Загальні підходи до легування жароміцних стопів на основі нікелю

Основою багатьох жаростійких нікелевих сплавів є система Иі-Єт (рис. 2.1). При кімнатній температурі розчинність хрому в нікелі складає приблизно 30%. Легування хромом підвищує стійкість проти окислення при високих температурах. Мінімальна кількість хрому що забезпечує захист від корозії - (20-25)%.Максимальна жаростійкість спостерігається при вмісті хрому понад 40%. Ніхроми Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70 мають однофазну структуру (у-твердий розчин на основі нікелю), Х40Н60, Х50Н50 - двофазні (у+а). Висока жаростій­кість у сплавах системи зумовлена утворенням під зовнішнім тонким шаром окислу №0 прошарку Сг203, що має низьку швидкість росту та шпінелі №Сг204.

t, °С 1700 1500 1300 1100

900

700

Nj    20    40    60   80 Cr % (мас.)

Рисунок 2.1 - Діаграма стану Ni-Cr (І.І.Корнілов). Заштриховано область сплавів з максимальним опором повзучості при різних температурах

Сплави на основі системи Ni-Cr мають незадовільний рівень жароміцності, додаткове легування алюмінієм (Al) призвело до утво­рення Y-фази (твердого розчину на основі інтерметаліду Ni3Al з ГЦК граткою). Параметри твердого розчину на основі нікелю та /-фази близькі (ау ~ а^), між гратками існує когерентний тип зв'язку. Відпові­дно до діаграми стану системи Al-Ni (рис. 2.2) розчинність алюмінію в нікелі; знижується з 11% (мас.) при 1385OC до 6% при 750OC.

Жароміцність при легуванні алюмінієм підвищилась (см.рис.2.4), збільшилась стійкість до окислення при високих темпера­турах (що пов' язано з утворенням плівки Al2O3).

Наступним кроком було введення до системи Ni-Cr-Al, кобальту, що вповільнює коагуляцію та знижує дифузійну рухомість атомів.

Подальше вдосконалення сплавів цієї системи пов' язано з вве­денням титану (рис.2.3). Це призвело до ускладнення хімічного складу частинок у-фази: Ni3(Al,Ti), (Ni,Co)3(Al,Ti). Такий склад дозволив за­безпечити більшу термодинамічну стійкість зміцнювальної фази.

Додаткове легування W, Mo (рис.2.4) зміцнює твердий у-розчин, вповільнює дифузію; Nb, Ta можуть заміщувати Al системі Ni3Al.

За рахунок комплексного легування рівень жароміцності значно підвищився порівняно з ніхромами (табл.2.2). Замість у-твердого роз­чину Cr в нікелі утворилися складнолеговані: у-твердий розчин Ni + (Cr,Co,Mo,W), у'-фаза Ni + (Al,Ti,Ta,Nb). В комплексно легова­них сплавах присутні карбіди типу MC, M6C, M23C6 та інші.

Мі, '/<> /мас)

0 /о 10 зо  00    sb     so      70 so

tsoo пер

1600

ііоо ГШ

fjoa

goo

, Ш

fOO 300 200

fee

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-I-

 

1

 

-1-

МІ.ЛІ

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

\

h

Я*

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

Hi Ліз /

/

 

tiff

 

 

 

f*S^

 

 

\

 

 

 

 

 

'lW

71, g

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

\

 

 

 

77 Д

1133'

 

 

/

 

 

\

 

 

 

 

 

і

 

 

/

 

 

\

to)

 

 

да*'

 

 

 

 

/

 

 

\

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

3S.3

ш

 

Sit

7!

 

 

-7 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

it*

 

 

 

 

1

l

 

 

1 I

1

1

11

1 /

 

 

1 1

 

 

1 1

1

1

 

 

 

1

 

 

1

1

1

! h—I

Г600 /400 /200

woo 800 600

о    m   го   jo   to   so   so   то   so   to /во

M Mi, Yt frin■) Ni

Рисунок 2.2 - Діаграма стану системи Al-Ni ЛТІ, Vo/мас)

О   tO 20 3ff   40  SO   60   70    SO    90 fOO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

 

1

 

1

I

1

—r

1

 

 

 

 

 

 

 

 

Я80

*

 

 

 

 

 

f3

to*

 

 

 

 

942"

\

h

94°

 

 

 

 

 

I

W

Ї

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ля?/

№ to

765" 4?

h

Ш

 

 

 

 

6

—1

w і—

 

 

 

О ffl 20 30 40 SO 60 70 вО SO TOO Ті Ni, Уо/ам.І Ш

Рисунок 2.3 - Діаграма стану системи Ti-Niх, год. 400

300

200

100

 

Мо/

 

 

/\А/

 

"Л/Ь ,

(/

 

1 /

/

Со

/ Ті//

 

/

 

 

у

 

 

—^

Ре

О        4       8      12     16 20 Легувальний елемент, % (ат.)

Рисунок 2.4 - Вплив легувальних елементів на час до руйнування сплаву 80%№ + 20%Сг при випробуваннях на довготривалу міцність при 800°С і о = 200 МПа (М.В.Приданцев)

Таблиця 2.2 - Структура та властивості ніхрому (а) та комплекс­но легованого сплаву на основі нікелю (б)

 

Показник

Матеріал

Ніхром

Комплексно легований сплав на основі нікелю

Мікроструктура (схема)

Структурний склад

у-твердий розчин

у-твердий розчин, У-фаза, карбіди

Границя міцності ((Тв), МПа

400

1000

Границя тривалої міцності

( о900), МПа

30

250

Відносне подов­ження (8), %

30

2-3