4.2 Жароміцні стопи на основі нікелю

Нікель є основою найбільш поширених на сучасному етапі жа­роміцних сплавів для деталей ГТУ. Передумовами широкого викорис­тання цих сплавів є висока температура плавлення та щільне пакуван­ня гратки нікелю. В ГЦК гратці дифузійна рухомість атомів менша за ОЦК.

Нікель - перехідний метал, належить УША підгрупі періодичної системи елементів. Атомний діаметр нікелю 0,249 нм, густина -8,907 г/см3.

При високих температурах в нікелі розчиняються Сг, У, Мо, Та, \¥ до 35-1-0%; А1, Ті, ЇЧЬ - від 2,5 до 20%. Зі зниженням температури розчинність легувальних елементів зменшується, що дозволяє зміцню­вати сплави за рахунок дисперсійного твердіння. За характером взає­модії з нікелем легувальні елементи поділяють на групи:

1. Елементи, що переважно знаходяться в у-твердому розчині: хром, молібден, вольфрам, залізо, кобальт.

2. Елементи, що утворюють з нікелем У-фазу: алюміній, титан, ніобій, тантал.

3. Елементи, що утворюють сегрегації на межах зерен: магній, бор, вуглець, цирконій.

Крім того в нікелевих сплавах присутні елементи, що утворю­ють карбіди: хром, молібден, вольфрам, ванадій, ніобій, тантал, титан. В залежності від схеми легування та стану матеріалу в жароміцних ні­келевих сплавах можуть існувати карбіди наступних типів: МС, М6С, М23С6, М7С3. Хром та алюміній утворюють стійкі окисні плівки на по­верхні деталей, що запобігають окисленню при високих температурах. В структурі можуть бути присутні карбонітриди, бориди типу М3В2.

Жароміцні сплави на основі нікелю поділяють за способом ви­готовлення деталей на три групи: деформовні, ливарні, отримані мето­дом порошкової металургії.

Нікелеві сплави маркують умовними позначеннями, що не ма­ють зв'язку з хімічним складом (наприклад, ЭИ437Б, ЭП742, ВЖЛ-12У, ЧС-70ВИ, ЖС6У), або використовують систему позначень подіб­ну до сталей. В останньому випадку марка сплаву складається з букв, що позначають елементи, що входять до його складу: Н - нікель, Х -хром, Т - титан, Ю - алюміній, Р - бор, В - вольфрам, М - молібден, Б - ніобій, К - кобальт. Позначення сплаву починають з букви „Х", по­тім вказується буква „Н" та цифра, що відповідає середньому вмісту нікелю, потім - букви, що вказують на присутність інших елементів. Послідовність букв залежить від вмісту елементів. Наприклад, сплав ХН70МВТЮБ містить 70%№, 5%Мо, 3%\¥, 2,4%Ті, 1,3%А1, 0,9%№>, решта - 17%Сг.

Хімічний склад деяких жароміцних сплаві на основі нікелю на­ведено в табл. 4.1.

Чистий нікель не має високої жароміцності = 40 МПа. При

легуванні нікелю 20% хрому тривала міцність підвищується на 25­30% за рахунок збільшення сил міжатомного зв'язку. Алюміній під­вищує жароміцність (рис.4.1) як в подвійній системі так і в багатоком­понентних системах на основі нікелю. Позитивний вплив алюмінію зумовлений формуванням зміцнювальної у'-фази (№3А1). Об'ємна кі­лькість у'-фази складає: ~5% при вмісті алюмінію 0,6%; -25% при вмісті алюмінію 1,7%; —42% при вмісті алюмінію 4%. Збільшення кі­лькості у'-фази підвищує жароміцність нікелевих сплавів (рис.4.2).

Проте надмірне легування алюмінієм (понад 3—4%) призводить до по­гіршення технологічної пластичності нікельхромових сплавів, усклад­нюється обробка тиском.

Таблиця 4.1 - Хімічний склад жароміцних сплавів на основі ні­келю

 

 

Марка за ГОСТом

Умовне позначення сплаву

Вміст елементів, %

С

Сг

Со

Ті

А1

W

Мо

В

інші

Деформовні сплави

ХН77ТЮР

ЭИ437Б

0,07

19­22

-

2,4­2,8

0,6­1,0

-

-

< 0,01

-

ХН70ВМТЮ

ЭИ617

0,12

13­16

-

1,8­2,3

1,7­2,3

5-7

2-4

< 0,02

0,1-0,5У

ХН70ВМТЮФ

ЭИ826

0,12

13­16

-

1,7­2,2

2,4­2,9

5-7

2,5­4,0

< 0,01

0,2-1,0У

ХН55ВМТФКЮ

ЭИ929

0,12

9-12

12­16

1,4­2,0

3,6­4,5

4,5­6,5

4-6

< 0,02

0,2-0,8У

ХН73МБТЮ

ЭИ698

0,08

13­16

-

2,3

5­2,7

5

1,3­1,7

-

2,8­3,2

-

1,8-2,2У

ХН62ВМКЮ

ЭИ867

0,10

8,5­10,5

4-6

-

4,2­4,9

4,3­6,0

9­11,5

< 0,02

 

Ливарні сплави

 

ЭП539ЛМ

0,08­0,15

17,0­18,5

4,0­6,0

2-3

3-4

2,5­4,0

4,5­6,5

0,02­0,04

0,02Се,

1,2-1,8КЬ, <1Бе

 

ЖС6К

0,13­0,2

9,5­12,0

4,0­5,0

2,5­3,2

5-6

4,5­5,5

3,5­4,8

0,02

0,015Се

 

ЖС3

0,11­0,16

14­18

-

1,6­2,3

1,6­2,2

4,5­6,5

3­4,5

-

-

 

ЗМИ 3

<0,1

12,5­14,0

5,0­6,0

4,5­5,5

2,8­3,2

4-6

1,5­2,5

0,01­0,05

0,02-0,05Се 0,05-0,1КЬ, 0,005-0,012г

 

ЧС70ВИ

0,06­0,12

15,0­16,7

9,5­12,5

4,2­5,0

2,4­3,2

4,5­6,0

1,5­2,5

0,02

0,1-0,25КЬ,

0,05гг

 

ЧС104ВИ

0,07­0,15

18,0­19,0

8,0­12,0

3,8­4,2

1,8­2,3

4­6,0

1,5­2,0

0,005 -0,02

0,2-0,8КЬ, 0,005-0,022г

Легування титаном 2,5-3,0% нікельхромових сплавів сприяє утворенню дисперсних частинок інтерметаліда №3Ті, це підвищує жа­роміцність, проте робочі температури нижчі за сплави з частинками №3А1. Це пов'язано із значною невідповідністю в параметрах гратокматриці та фази на основі сполуки №зТі. При підвищених температу­рах відбувається інтенсивна коагуляція цих частинок. Сумарний вміст алюмінію та титану в сучасних жароміцних деформовних сплавах ся­гає 7-9% (підвищення вмісту цих елементів суттєво ускладнює здат­ність до деформації сплавів), в ливарних - 12%.

і, °С

 

600 і—'-'-1-'-1

1,0     3,0     5,0     7,0 9,0 %, АІ+ТІ

Рисунок 4.1 - Вплив А1 (1) та сумарного вмісту А1 і Ті (2) в нікелевих сплавах на температуру, яка відповідає о100 = 200 МПа

о і» МПа

 

600

 

 

 

 

ЭП238

500

ЭП220 .

■ ^

 

 

 

ЭИ929ш£

ЭП109

 

ЗИ867СҐ/

 

400

/

 

 

ЭИ816 *

 

300

- ЭИ617/

 

 

•/

 

 

ЭИ437Б/

 

 

 

 

200

 

 

100

уЭИ435

 

 

>ХН80

і      і      і і

 

0    10   20  ЗО   40   50 60 у'-фаза, %

Рисунок 4.2 - Вплив кількості /-фази на довготривалу міцність нікелевих сплавів (т = 100 год.)

В сплавах на основі нікелю залізо не є основним легувальним елементом. Його присутність може бути пояснена можливістю вико­ристання для легування замість хрому більш дешевого ферохрому. Якщо температура експлуатації не перевищує 700-750° С вміст заліза може сягати 5-8%, в складнолегованих сплавах з високою робочою температурою залізо погіршує жароміцність, тому його вміст не пови­нен перевищувати 1-2%.

Кобальт входить до складу /-фази, заміщує позиції нікелю, проте більша його частина знаходиться в у твердому розчині. Кобальт підвищує температуру повного розчинення у-фази в матриці, що по­ліпшує жароміцність. Кобальт підвищує пластичність та в'язкість, по­кращує технологічну пластичність. В деформовних сплавах його вміст сягає 15-20%, в ливарних - 10%.

Ванадій, ніобій, тантал легують у'-фазу, зміцнюють у-твердий розчин та формують карбіди.

Хром, переважно розчиняється в у-фазі, має позитивний вплив на жароміцність при температурі 700-750°С. При вищих температурах хром прискорює дифузійні процеси.

Вольфрам розподіляється між у та у'-фазами, гальмує розвиток в них дифузійних процесів, підвищує жароміцність. Молібден, переваж­но, присутній в матриці, забезпечує твердорозчинне зміцнення. Проте при підвищених температурах надлишок молібдену прискорює розви­ток ВТК, цей елемент, разом з хромом, вольфрамом, входить до скла­ду ТЩУ-фаз, тому його вміст в високожароміцних нікелевих сплавах обмежують.

В нікелевих сплавах міститься вуглець, що утворює карбіди ти­тану, хрому, в присутності азоту - карбонітриди. Карбідні фази мо­жуть мати як позитивний так і негативний вплив на властивості спла­вів, в залежності від природи, форми та розподілу цих фаз. Карбоніт-рид Ті(С,ЇЧ) знижує пластичність та в'язкість при виділенні у вигляді видовжених частинок. В той же час, він є модифікатором, подрібнює зерно, підвищує густину відливок, зменшує схильність до міжкриста-літної пористості.

Рівень жароміцності, технологічність, експлуатаційні властивос­ті жароміцних сплавів значною мірою визначаються технологією ви­робництва. Суттєве значення мають метод плавлення та кристалізації, технологія гарячої обробки тиском, умови механічної обробки. Ніке­леві сплави плавлять у відкритих індукційних або дугових печах, ме­тодом вакуумного індукційного плавлення з подальшим переплавлен­ням металу в вакуумно-дугових печах. При необхідності високої чис­тоти плавлення проводять електронно-променевим способом. Для ви­готовлення якісних матеріалів використовують чисті шихтові суміші, вміст шкідливих домішок (свинець, сурма, вісмут, кадмій та ін.) не пе­ревищує в них 10—3—10—4% (за масою).

Деталі з жароміцних нікелевих сплавів можуть виготовлятися деформацією або литтям, в залежності від схеми легування. Для дефо-рмовних сплавів після кристалізації необхідно отримати оптимальну макоструктуру, що забезпечує подальшу гарячу деформацію зливку. Недоліком нікелевих сплавів є значна ліквація, що виникає при крис­талізації. Внаслідок ліквації погіршується пластичність, може виника­ти анізотропія властивостей прокату, поковок. Гаряча деформація ви-соколегованих жароміцних нікелевих сплавів має низку особливостей: сплави мають відносно низьку пластичність в усьому діапазоні темпе­ратур; для сплавів характерний вузький температурний інтервал дефо­рмації, в деяких сплавах 80—100°С; сплави чутливі до перегрівання.

Нікелеві жароміцні сплави мають високу температуру рекриста­лізації, тому при відхиленні у режимах деформування є можливим на-півгарячий наклеп, що при подальшій термообробці викликає різнозе-реність (при ступені деформації єкрит). Температура рекристалізації ви­значається легуванням, попередньою деформацією та термообробкою.

Ливарні жароміцні нікелеві сплави на відміну від деформовних мають наступні переваги: вищий рівень жароміцності, що зумовлений введенням в сплави значної кількості легувальних елементів (при від­сутності необхідності забезпечення технологічної пластичності); кое­фіцієнт використання металу становить 0,8—0,95 (замість 0,15—0,25 — для деформовних); можливість виготовлення деталей складної форми, наприклад, лопаток із внутрішніми порожнинами для охолодження при експлуатації.

Основним недоліком ливарних сплавів є низька пластичність та в'язкість. Для ливарних сплавів досить поширене явище ліквації, легу-вальні елементи неоднорідно розподілені в об'ємі, цей дефект частко­во усувається при термічній обробці (гомогенізації). Структура ливар­них жароміцних нікелевих сплавів складається з у—твердого розчину, у'—фази (її кількість сягає в сучасних сплавах 50—60%), карбідів, кар-бонітридів, боридів.