12-3

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при температурах выше 500°С в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих де­талей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и т. д., работающих при высоких температурах.

Повышение температуры влияет на все механические свойства: пони­жает модуль упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцепле­ний), пределы текучести и прочности. При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных статических испытаниях. Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действую­щим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с опре­деленной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может в конечном счете привести к разрушению ме­талла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропроч­ностью. Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползуче­сти и пределом длительной прочности.

Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре за­данное  удлинение образца или заданную скорость деформации (ползуче­сти).

 Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 0,45 — 0,8 Tпл. Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов из­меняются от одного-двух часов (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые тур­бины).

При температурах ниже 0,45-0,5 Тпл прочность сплавов определяется стабильностью их дислокационной структуры. При более высоких температурах стабильность дислокационной структуры нарушается (уменьшает­ся плотность дислокаций, растет количество вакансий и т. д.) и развивают­ся диффузионные процессы разупрочнения (возврат и рекристаллизация и т. д.).

Деформация и разрушение при высоких температурах часто происходят по границам зерен. Это объясняется тем, что по границам зерен, содержа­щих большое количество дефектов (вакансий, дислокаций и т. д.), легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжения отсутствуют, диффузионные перемещения пограничных атомов не имеют направленного характера. При наличии даже небольших напряжений эти перемещения атомов, особенно па границах зерен, приобретают направленный характер, что способствует ползучести металла. В процессе ползучести происходят перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела, так называемое проскальзывание. Такой механизм пластической деформации называют диффузионной пластичностью/

Таким образом, если при низких температурах границы зерен тормозят движение дислокаций и упрочняют сплав, то при высоких температурах, наоборот, способствуют ускоренному разупрочнению поликристалличе­ских металлов. Более крупное зерно способствует повышению жаропроч­ности, хотя при этом пластичность часто снижается.

Жаропрочность стали и других металлических сплавов в сильной сте­пени зависит от величины межатомной связи, а также от их структурного состояния. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные силы связи в кристаллической решетке. металла, на базе которого построен сплав. В первом приближении можно считать, что чем выше температура плавле­ния металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень применения этих сплавов.

Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раство­ра, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зе­рен дисперсных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, когерент­но связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего старения. На­личие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700 —950°С) создают на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при очень высоких температурах (до 1200-1500°С) и на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

Жаропрочные стали. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных спла­вов) широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие темпе­ратуры жаропрочных сталей 500 —750С. При температурах до 600°С чаще используют стали на основе a-твердого раствора, а при более высоких температурах — стали на основе аустенитной структуры, обладающие бо­лее высокой жаропрочностью.

Перлитные стали. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10000-100000 ч) при темпера­турах не выше 500 —580°С, подверженных ползучести, но сравнительно мало нагруженных, используют низкоуглеродистые стали перлитного клас­са, содержащие хром, молибден и ванадий в количестве  

Эти элементы, повышая температуру рекристаллизации феррита и затрудняя диффузионные процессы, улучшают жаропрочность стали.. При большей степени ле­гирования ванадием возможно образование карбидов VC. Перлитные ста­ли чаще подвергают нормализации и отпуску при 600-750°С. После такой обработки сталь имеет структуру тонкопластинчатого перлита (сорбита) и. обладает более высокой длительной жаропрочностью, чем после закалки и высокого отпуска, когда структура -зернистый сорбит.

Примеры сталь 15ХМ и сталь 12Х1МФ

Мартенситные стали. Для деталей и узлов газовых турбин и пароси­ловых установок применяют мартенситные сложнолегированные стали 15X11МФ и 15Х12ВНМФ . В состав этих сталей входят Cr, W, V, Mo, Nb, Ti, которые, повышая температуру рекристаллизации и обра­зуя карбиды типа , улучшают жаропрочность. Наиболее сильно по­вышают жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием н азотом дополнительно увеличивает жаропрочность. Рабочие температуры этих сталей могут до­стигать 580-600С.

Для получения оптимальной жаропрочности высокохромистые стали закаливают на мартенсит.

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. Наиболее известны сильхромы 40Х9С2 и 40Х10С2М

Эти стали при нагреве и охлаждении испытывают полную фазовую перекристаллизацию. Стали применяют после закалки в масле при 1000-1050°С и отпуска при 720-780°С (для стали 40Х10С2М) и при 800°С (для стали 40Х9С2) с охлаждением на воздухе или в воде.

Аустетттые стали. Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для до­стижения высокой жаропрочности их дополнительно легируют Mo, W, V, Nb и В. Эти стали применяют для деталей, работающих при 500 —750СС. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных. ,

Аустенитные стали пластичны и хорошо свариваются, однако по срав- нению с перлитными и мартенситными обработка их резанием затруднена. Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три труппы:

1) твердые растворы, не  упрочняемые старением;

 2) твердые рас­творы с карбидным упрочнением;

3) твердые растворы с интерметаллидным упрочнением.

Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем с карбидным упрочнением.

Аустенитные жаропрочные стали со структурой твердых растворов, например 09Х14Н16Б, 09Х14Н18В2БР и 09Х14Н19В2БР, предназначенные для изготовления пароперегревателей и трубопроводов силовых установок высокого давления, работающих при 600 - 700°С, применяют в закаленном состоянии. Закалку производят при 1100-1160°С в воде или на воздухе. После закалки стали приобретают умеренную прочность и высокую пластичность.

Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с кар­бидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обра­ботке, состоящей из двух последовательных операций, приведенных ниже.

1. Закалка (с 1050-1200°С) в воде, масле или на воздухе.

2. Старение при 600-850°С.

С увеличением легированности сплавов элементами, тормозящими про­цессы диффузии, температура старения возрастает

Высокая жаропрочность с карбидным упрочнением достигается введе­нием в хромоникелевый или хромоникельмарганцевый аустенит 0,3 — 0,5% Си карбидообразующих элементов Мо, W, V, Nb и др. Такими сталями являются 45Х14Н14В2М и 40Х15Н7Г7Ф2МС. Сталь 45Х14Н14В2М применяют после отжига при 820°С (охлаждение.на воздухе) для изготовления клапанов авиационных двигателей и в газотурбостроении для крепежа. По­сле отжига структура стали — аустенит и карбиды типа М23Сб Для изготовления различных деталей газотурбинных установок, рабо­тающих при небольших нагрузках (турбовозы, газовые стационарные тур­бины), а также для крепежных деталей применяют сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС, в которой никель частично заменен марганцем. Упрочнение, стали дости­гается закалкой при 1170 — 1190°С в воде (на воздухе) и старением при 800°С в течение 8 — 10 ч. В процессе старения образуются дисперсные кар­биды Сг23С6 и VC, которые повышают механические свойства при нор­мальной и высоких температурах. Стойкость стали против окисления при температурах свыше 700°С невелика, поэтому детали алитируют или под­вергают электролитическому никелированию.

К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложнолегированных сталей. Основной упрочняющей фазой является у', по составу отвечающая соединению Ni3Ti, а в присутствии алюминия Ni3 (Ti, А1). При старении возможно образование также карби­дов типа МС (TiC). Содержание углерода в этих сталях должно быть не­большое, так как он связывает молибден и вольфрам в карбиды, что пони­жает жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов.

Жаропрочные сплавы на, железоникелевой основе. К этой группе сплавов относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов (W, Т i и др.) в железоникелевой основе.

Сплавы на железоникелевой основе применяют для изготовления дета­лей паровых и газовых турбин. Так, например, для изготовления тур­бинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, ра­ботающих при 500 —750°С, применяют сплав ХН35ВТЮ. Наилучшие жаропрочные свойства сплав получает после первой закалки при 1150—1180°С на воздухе, второй закалки при 1050°С на воздухе и старении при 830Х 8 ч.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе. Жаропрочные стали на осно­ве никеля нередко называют нимониками. Эти сллавы находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, ста- дионарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т. д.). Сплавы предназначены для рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и Других  деталей га­зовых турбин, работающих до 850°С.

Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (20%), а для повышения жаропрочности — титаном (1,0 — 2,8%) и алюми­нием (0,55 — 5,5%). В этом случае при старении закаленного сплава обра­зуется интерметаллидная фаза, а также карбиды Т iC и нитриды Т iN, увеличи­вающие, прочность при высоких температурах. Дальнейшее увеличение жа­ропрочности достигается легированием .сплавов молибденом, и вольфра­мом, повышающим температуру рекристаллизации и затрудняющим процесс диффузии в твердом растворе. Добавление к сложнолегированным сплавам кобальта еще больше увеличивает жаропрочность и технологиче­скую пластичность сплавов. Для упрочнения границ зерен сплав легируют бором и цирконием. Они устраняют вредное влияние при­месей, связывая их с тугоплавкими соединениями. Примеси серы, сурьмы, свинца и олова понижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обра­ботку давлением. В связи с этим для повышения жаропрочности при вы­плавке жаропрочных сплавов необходимо применять возможно более чистые шихтовые материалы, свободные от вредных легкоплавких приме­сей (Pb, Bi, Sn, Sb. и S).

Наиболее широко используют никелевый сплав ХН77ТЮР. Часто используют также сплав ХН70ВМТЮ, обладающий хорошей жа­ропрочностью и достаточной пластичностью при 700 — 800°

Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной проч­ности и пластичности у сплава ХН65ВМТЮ. Этот сплав получил широ­кое применение как материал лопаточного аппарата стационарных газовых турбин и крепежных деталей турбин.

После двойной закалки при 1220 и 1050°С на воздухе и старении при 850°С сплав имеет высокую жаропрочность.