Жаропрочные сплавы

Развитие жаропрочных никелевых сплавов началось с небольших доба­вок титана и алюминия к обычному нихрому. Оказалось, что добавление ме­нее 2% титана и алюминия без термической обработки заметно повышает показатели ползучести нихрома при температурах около 700 °С. Сплав, со­держащий 2,5% титана, 1,5% алюминия, 20% хрома, на основе никеля полу­чил название нимоник-80 и стал первым в большом ряду последующих мо­дификаций жаропрочных сплавов. Аналог этого сплава — сплав ХН77ТЮ (ЭИ 437). Кроме никеля он содержит 19—22% Сг; 2,3—2,7% Ti; 0,55—0,95% Al. Широкое применение находит также сплав ХН77ТЮР, дополнительно легированный бором (не более 0,01%). После закалки при 1080—1120°С этот сплав имеет структуру пересыщенного у-раствора с ГЦК-решеткой, не­большую прочность и высокую пластичность, допускающую глубокую штамповку, гибку и профилирование. После закалки и старения при 700 °С сплав приобретает высокую жаропрочность и следующие механические свойства: ст_в = 1000 МПа, а_оЛ = 600 МПа, 8 = 25%, у = 28% (рис. 8.8).

В качестве сплава с высокой жаропрочностью широкое применение на­ходит сплав ХН70ВМТЮ (13—16% Сг, 1,8—2,3% Ti, 1,7—2,3% Al, 5—7% W, 2—4% Mo, 0,l-r-0,5% V, не более 0,02% В, не более 0,02% Се, рис. 8.8, б). Этот сплав имеет после двойной закалки при 1190 и 1050 °С и старении при

а,МПа

■JSSX- а5г

О.МПа

800 °С следующие механические свойства: а_в = 1140 МПа, а_о2 = = 750 МПа, 6 = 14%, у = 15%.

10' 102 1 10' ю2 Время до разрушения, ч а б Рис. 8.8. Длительная прочность жаропрочных никелевых сплавов: а — сплав ХН77ТЮР, б — сплав ХН70ВМТЮ

Для рабочих лопаток турбин с кратковременным и длительным (до 10000 ч) сроком службы применяют также сплав ХН55ВМТФКЮ, со­держащий 9—12% Сг, 12—16% Со, 1,4—2,0% Ti, 3,6—4,5% А1, 4,5—6,5% W, 4—6% Mo, 0,02% В, 0,2—0,8% V. После двойной за­калки при 1220 и 1050 °С на воз­духе и старении при 850 °С сплав имеет высокую жаропрочность.

Главной упрочняющей фазой в жаропрочных сплавах на никелевой основе является у'-фаза Ni₃(Ti, А1); в некоторых сплавах, легированных ниобием, такой является фаза типа Ni₃(Nb, Al, Ti). Такие фазы, как бориды, нитриды, карбиды, вызывают незначительное дополнительное упрочнение при низких температурах из-за их небольшой объемной доли. Однако эти фазы могут существенно изме­нять скорость ползучести и срок службы изделий. Прочность никелевых сплавов, упрочняемых у'-фазой, зависит от следующих факторов: объемной доли у'-фазы; радиуса частиц у'-фазы; прочности частиц у'-фазы.

Основа у'-фазы — Ni₃Al — имеет гранецентрированную упорядоченную кубическую решетку с температурой упорядочения вблизи температуры плавления (1385 °С). Она существует в довольно узкой области составов вблизи стехиометрического, но легирующие элементы могут в значительной степени заменять как никель, так и алюминий.

Богатая никелем матрица благоприятствует выделению у'-фазы при ма­лом изменении размерного фактора. Совместимость периодов решетки мат­рицы и у'-фазы (несоответствие периодов менее 0,1%) создает предпосылки для зарождения выделений с низкой поверхностной энергией, которые могут быть стабильными в течение длительного времени.

Жаропрочные никелевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Жаропрочные свойства деформируемых сплавов формируются при термической обработке.

Литейные жаропрочные никелевые сплавы по составу сходны с дефор­мируемыми, но обычно содержат большее количество алюминия и титана. Так, сплав марки ЖС6К содержит 11% Сг, 2,75% Ti, 5,5% Al, 4% Mo, 4,5% Со, < 2% Fe, 5% W, 0,16% С, 0,02% В, *S 0,4 % Мп и < 0,4% Si.

У литейных жаропрочных сплавов высокие прочностные характеристи­ки при повышенных температурах. Так, длительная прочность сплава марки

ЖС6К составляет 320 МПа при 900 °С и 160 МПа при 1000 "С. Эти сплавы применяют для изготовления сопловых и рабочих лопаток газотурбинных авиационных двигателей.

Свойства некоторых жаростойких и жаропрочных никелевых сплавов при комнатной и рабочей температурах приведены в табл. 8.10.

Таблица 8.10. Свойства некоторых жаропрочных и жаростойких никелевых сплавов*

Марка сплава	а„МПа	о0>2, МПа	5,%	а„ МПа	a0j2, МПа	6,%
при 20 °С	при 800 °С
ХН78Т ХН75МБТЮ ХН70Ю ХН70ВМТЮ ХН80ТБЮ	700 750 750 1140 880	750 480	30 40 30 12 40	220 250 360 750 600**	390**	34 40 14 8 **

Свойства сплавов даны после термической обработки Свойства при 700 °С