Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов

Общим принципом термической обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе является определенная последовательность операций, ха­рактерная для дисперсионно-твердеющих материалов: гомогенизирующий нагрев, быстрое охлаждение и старение при одной или нескольких темпера­турах. Особенностью термообработки жаропрочных сплавов по сравнению с термической обработкой конструкционных сталей является необходимость весьма точной регулировки температуры и контроль за однородностью тем­пературного поля. Детали должны быть защищены от непосредственного радиационного действия нагревателей. Это достигается установкой экранов или использованием муфельных печей. Лучше всего использовать обработку в печах с инертной или защитной средой (аргон, гелий, азот и другие газы).

Старение при температурах ниже 750—800 °С ведут в печах с воздуш­ной атмосферой, так как скорость окисления при этих температурах незначи­тельна. Для нагрева до более высоких температур следует использовать печи с инертной средой; после такого нагрева детали охлаждают в этой среде до 600—700 °С, а затем на воздухе.

На механические свойства и твердость' жаропрочных сплавов большое влияние оказывает скорость охлаждения от температуры закалки. С увеличе-

нием степени легированности сплава — повышением содержания в нем ти­тана, алюминия, вольфрама, молибдена — распад твердого раствора с обра­зованием у'-фазы заметно ускоряется. В результате этого при одних и тех же скоростях охлаждения твердость сплава увеличивается, возрастает проч­ность, но уменьшается пластичность.

Для сплавов типа ХН77ТЮР и нимоник-80 достаточная пластичность листов и ленты может быть обеспечена охлаждением на воздухе от темпера­тур выше 1000 °С. Чем более легирован сплав, тем выше должна быть тем­пература нагрева для растворения упрочняющих фаз и тем выше должна быть скорость охлаждения для предотвращения их выделения.

Рассмотрим примеры режимов термической обработки некоторых про­мышленных сплавов. Термическая обработка сплава ХН77ТЮР заключается в закалке от температуры 1080 ± 10 °С, охлаждении на воздухе и последую­щем старении при 750—790 °С в течение 16 ч, охлаждении на воздухе. Смысл операций состоит в следующем: температура растворения у'-фазы в этом сплаве — около 930—950 °С. Таким образом, для полного выделения этой фазы при старении достаточно нагреть сплав выше этой температуры. Растворение карбидов хрома происходит при 1150 °С, но при этой темпера­туре резко начинает расти зерно. Температура 1080 °С выбрана для того, чтобы некоторое количество нерастворенных карбидов ограничивало рост зерна и обеспечивало места для последующего зарождения карбидов при старении. Старение проводят при температуре на 40—50 °С выше, чем тем­пература эксплуатации, чтобы у'-фаза выделилась в полной мере и достигла некоторого стабильного размера, который бы незначительно изменялся при длительной выдержке в интервале более низких температур. Малая объемная доля у'-фазы и, соответственно, низкая скорость ее выделения позволяют вести охлаждение от температуры закалки на воздухе. При термической об­работке таких сплавов, как ХН70ВМТЮ (ЭИ617) или ХН55ВМТФКЮ (ЭИ929), применяют иной режим термической обработки: нагрев при 1200 °С в течение 2 ч, охлаждение на воздухе; повторный нагрев до 1050 °С, выдержка в течение 4 ч, охлаждение на воздухе; старение при 850—950 °С 8 ч, охлаждение на воздухе. В этих сплавах температура растворения у'-фазы составляет около 1180 °С. Первый нагрев необходим для растворения у'-фазы и карбидов, т. е. для максимального насыщения матрицы легирующими элементами с целью увеличения эффекта последующего старения. При по­вторном нагреве до 1050 °С происходит частичное выделение очень крупных частиц у'-фазы и карбидов, преимущественно по границам зерен. Эти выде­ления обеспечивают упрочнение границ при ползучести. Старение при более низких температурах имеет целью достичь наиболее полного выделения ос­новной массы у'-фазы в объеме зерен. Задача этих более мелких выделений у'-фазы — обеспечить сопротивление движению дислокаций в объеме мате-

риала, т. е. высокий уровень прочности при низких температурах и низкую ско­рость установившейся ползучести. В высоколегированных сплавах с большой скоростью выделения у'-фазы при замедленном охлаждении от температуры вто­рого старения до комнатной могут происходить дополнительные выделения не­которого количества очень мелких частиц у'-фазы, упрочняющих матрицу. При­чиной их выделения является разница в растворимости алюминия и титана при комнатной температуре и при 900 °С, поэтому они могут растворяться при по­вторном нагреве до температуры эксплуатации. Однако их роль достаточно важ­на, так как при таких операциях, как остановка и запуск двигателя, эти частицы дополнительно упрочняют охлажденный сплав.

§ 8.4. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе

К тугоплавким металлам относятся металлы с температурой плавления более 1800 °С. Наибольшее распространение в промышленности получили элементы VA-группы — ниобий и тантал, элементы VIA-группы — хром, молибден и вольфрам и элемент VIIA-группы — рений. Последний является весьма редким элементом, отличается значительной стоимостью и применя­ется в основном для легирования. Уникальные физико-механические свойст­ва этих металлов (табл. 8.11), прежде всего высокие температуры плавления и жаропрочность сплавов тугоплавких металлов, позволяют использовать их для изготовления деталей и узлов, работающих в сложных экстремальных условиях: авиационной, ракетно-космической, атомной технике, приборо­строении, радиоэлектронике. Изделия из тугоплавких металлов и сплавов на их основе работают при температурах больше 1000—1500 °С как в кратко­временном режиме, так и в условиях относительно длительной эксплуатации.

Однако тугоплавкие металлы имеют и недостатки. Прежде всего они склонны к хрупкому разрушению, так как им присуща высокая температура хладноломкости. Примеси внедрения, такие, как С, N, Н, О, еще более по­вышают ее. В табл. 8.12 приведены данные по влиянию примесей внедрения на температуру перехода к хрупкому состоянию для тугоплавких металлов. Как видно, содержание примесей определяется способом получения металла. Наиболее чистые металлы, получаемые зонной очисткой, имеют порог хруп­кости в области минусовых температур и хорошую пластичность при ком­натной температуре. Так, если для металлокерамического молибдена темпе­ратура перехода в хрупкое состояние состояние +200 °С, то для молибдена, полученного зонной плавкой в вакууме, порог хрупкости -196 °С. Еще более значительная разница, как видно из табд. 8.12, наблюдается для вольфрама: +500 °С — порог хрупкости для металлокерамического вольфрама и -196 °С — для вольфрама зонной плавки с содержанием углерода менее 0,001%.

Таблица 8.11. Свойства тугоплавких металлов

Свойства	W	Re	Мо	Сг	Та	Nb
t °С 'пл>»*
у, кг/м3
Кристаллическая структу-	ОЦК	ГПУ	ОЦК	ОЦК	ОЦК	ОЦК
ра при 20 °С
Период решетки, нм	0,3165	—	0,3146	0,28787	0,3298	0,3294
X, Вт/(м-К)	167,4	71,2	137,3	66,9	54,4	52,3
а-Ю'ЧгО—1000°С),1/°С	4,76	6,63	6,9	8,4	7,2	7,1
£,ГПа
Температура перехода в	200-	—	0-20	300-	-200	-200
хрупкое состояние, °С
а„МПа	600-	—	800-		200-	200-
а,, МПа		—		25-85
5,%		—	10-15 -	0-3	50-70	25-50

Примечание. Значения а„ и 6 приведены для материалов технической чистоты в рекрис-таллизованном состоянии.

Тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью. При темпера­туре свыше 400—600 °С их нужно защищать от окисления, иначе свойства тугоплавких металлов и сплавов резко ухудшаются. Для этих целей приме­няют металлические, интерметаллические и керамические покрытия. Для молибдена и вольфрама в качестве защитных покрытий наиболее часто ис-

I %S0 I* Г %

4

1 5 W

30 Время, нин

Рис. 8.9. Окисляемость вольфрама при различных температурах: / — 1200 °С; 2 — 1000 °С; 3 — 800 °С; 4 — 600 °С

пользуют силицидные покрытия (MoSi₂, WSi₂). При работе деталей в вакууме, инертных средах необходимость в за­щитных покрытиях отпадает. Не требу­ется защитных покрытий для деталей и сплавов хрома, так как он обладает жа­ростойкостью до 1000 °С из-за образо­вания плотной тугоплавкой оксидной пленки Сг₂0₃. Высокая окисляемость ту­гоплавких металлов (например, для воль­фрама заметная при 500—800 °С, рис. 8.9) создает определенные проблемы при осуществлении некоторых технологиче­ских процессов при производстве деталей и узлов из них, особенно при литье, свар­ке, горячей обработке давлением.

Таблица 8.12. Влияние примесей внедрения на температуру перехода в хрупкое состояние

		Содержание примесей внедрения, %	||У
Металл	Способ получения		(по массе)
		Н	N	о	С	н
Ниобий	Дуговая плавка	0,0001	0,065	0,0317	0,009	-185
(рскристал-	Электронно-лучевая	0,0001	0,011	0,029	0,016	-200
лизованный,	плавка
1200 °С)
Ванадий	Иодидный	0,005	0,0005	0,15	0,015	-40
	Электронно-лучевая	0,0001	0,005	0,01	0,02	-196
	плавка
Тантал	Меташюкерамический	—	0,006	0,008	0,0014	-200
	Электронно-лучевая	—	0,0008	0,003	0,003	-250
	плавка
Молибден	Металлокерамический	0,0006	0,02	0,02—0,01	0,047	+200
	Дуговая вакуумная	0,001—	0,0006	0,005—	0,014
	плавка (деформирован-	0,0005		0,003
	ный и рекристаллизо-
	ванный)
	Элеиронно-лучевая	0,0001	0,0001	0,001	0,012	-196
	зонная вакуумная плавка
Вольфрам	Металлокерамический	0,0003	0,002	0,023	0,040	+500
	Дуговая вакуумная	0,0002	0,001	0,004	0,030	+200
	плавка
	Электронно-лучевая
	плавка:					!
	после двух проходов	0,0001	0,001	0,001	0,020	+20
	то же, исходная заготов-	0,0001	0,001	0,001	0,001	-196
	ка подвергалась предва-
	рительному обезуглеро-
	живанию

На основе тугоплавких металлов созданы жаропрочные сплавы, предна­значенные для работы в условиях высоких температур — 1100—1700 °С, а для сплавов вольфрама — до 2500—3000 °С. В сплавах упрочнение достига­ется за счет дисперсионных частиц (оксидов, карбидов и др.), дисперсионно­го твердения и деформационного упрочнения.

Сплавы молибдена легированы Zr, Ti, Hf, Nb, W, которые образуют с молибденом твердые растворы и упрочняют его. Для увеличения пластично-

ста в сплав могут добавлять Re. Низколегированные сплавы молибдена это — ВМ1, ЦМ2А, ВМ2, системы Mo—Ti—Zr, содержащие 0,08—0,4% Zr, 0,2— 0,4% Ti и < 0,01% С. Большей жаропрочностью обладают гетерофазные, тер­мически упрочняемые сложнолегированные сплавы: ВМЗ, ЦМВЗО, ЦМВ50. ЦМ10. В сплавы этого типа внедрены углерод и карбидообразуюшие добав­ки Ti, Zr, Та, Hf и др. Для повышения длительной прочности в большом ко­личестве (30% и 50%) вводится вольфрам — сплавы ЦМВЗО и ЦМВ50. Сплав ЦМ10 относится к свариваемым сплавам из-за уменьшения и нем со­держания углерода и элементов внедрения.

Сплавы на основе вольфрама могут быть легированы No, Та, Mo, Zr, Hf, Re, С и др. Различают однофазные сплавы вольфрама — твердые раство­ры и гетерофазные. упрочненные дисперсионными частицами карбидов, бо-ридов и оксидов. К однофазным относятся сплавы системы W—Nb и W—Мо, к группе гетерофазных — системы W—Та—С (сплав ТСВ).

Свойства вольфрамовых, молибденовых, как и других тугоплавких ме­таллов, можно повысить за счет гидрозкструзии (табл. 8.13). Гидроэкструзия позволяет, в результате протекания сложных дислокационных процессов, получать в деталях тонкую полигонизационную структуру и, как следствие, высокие и стабильные механические свойства.

Основными легирующими элементами для создания сплавов ча основе ниобия являются W, Mo, Ti, Та, V, Zr, Hf и элементы внедрения (С, О. N). Сплавы ВН-2, ВН-3, ВН-4 содержат Мо и Zr (основа — ниобий), сплавы 5ВМ1ГУ, РН-6С, ИРМН-3 — W, Мо, Zr и карбидное упрочнение. Как чистый ниобий, так и его сплавы активно взаимодействуют при нагреве с атмосфер­ными газами — кислородом, азотом и водородом, что требует применения защитных покрытий.

Сплавы тантала, как и ниобиевые сплавы, относятся к группе относитель­но пластичных. Тантал, полученный электродуговой плавкой и, особенно, элек­тронно-лучевой деформируется даже при комнатной температуре. Однако он обладает высокой активностью к взаимодействию с газами с образованием нит­ридов, оксидов, карбидов, гидридов, что отрицательно сказывается на свойствах ютовых изделий, сварных и паяных соединений. Легирование тантала W. Zr, Hf и другими элементами способствует его упрочнению, но снижает пластичность.

Сплавы хрома, как и чистый хром, обладают очень высокой стойко­стью к окислению, вплоть до 1000—1100 "С. Она увеличиваем за счет со­ответствующего легирования. К легирующим элементам относятся W, V, Ni, Ti, Y (сплавы ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-4), а также Hf, Мо, Zr, Та. Сплавы ВХ-1, ВХ-1И, ВХ-2, ВХ-2И являются малолегированными, пластичными. Сплав ВХ-4 — высо­колегированный, но достаточно пластичный. Сплавы М-140, M-U.-, М-146 • -малопластичны, но обеспечивают высокие значения длительной прочное™. Сдерживает более широкое применение в промышленности этих сплавов их недостаточная пластичность.

Т а б л и ц а 8.13. Механические свойства гидроэкструдированных промышленных молибденовых и вольфрамовых сплавов в зависимости от степени деформации и температуры отжига

	5^	Сплав ВМ1 (0,1% Ti,	Сплав ВМ1м (0,1% Ti,	Сплав TCM3 (0	,l%Ni;	Сплав ТСМ4 (0,1% Ni;	Сплав ТСВ1
	1 |	0,1% Zr; основа Mo)	0,l%Zr,0,15%ZrC,	0,06% С, основа Mo)	0,06%C;0,2%ZrC;	(0,2% Та; 0,1%
Состояние	5 £, #1				основа Mo)			основа Mo)	ZiC; основа W)
материала	= 1 С С Щ X о g.	С ■ в	ее о" О		ее ■ D	i i	CO	ее ■	ее О	г? to	се т О	ее 1?'		ее	<о"
Исходное			—			—			32,1			67,5		523»	42,6*
После			------			—		—	—	—				1000**	48**
гидроэкструзии			—			—			81,0					—	—
			—			—			86,0					—	—
После отжига при						—			32,1			58,4		—	—
1400 °С, 1ч						—								—	—
		—	—	—					37,0					—	—
						—			49,0					—	—
После отжига при						—								—	—
1600 °С, 1ч		—	—	—					24,0					—	—
						—			28,0					—	—

* Испытания проводили при 400 °С. ** Испытания проводили при 300 "С.

Наряду с применением тугоплавких металлов и сплавов на их основе как материалов для различных изделий, большое значение они имеют для про­мышленности в качестве легирующих элементов.

Контрольные вопросы

1. Какие металлы называют легкими и почему?

2. Как влияет кристаллическая структура магния на физические и технологические свойства его сплавов?

3. Каковы особенности маркировки алюминиевых сплавов?

4. Какова цель модифицирования силуминов?

5. Каковы области применения алюминиевых сплавов?

6. Как влияют легирующие элементы на полиморфное превращение титана?

7. Каковы особенности фазовых превращений при термической обработке титано­вых сплавов?

8. Как называют основные группы сплавов меди?

9. Какой термической обработкой упрочняются жаропрочные никелевые сплавы?