Сведения о материале изделия

2. Сведения о материале изделия

 

2.1 Основные жаропрочные сплавы на никелевой основе

При изготовлении ответственных деталей современных газотурбинных двигателей довольно часто, в качестве материалов, используют жаропрочные и жаростойкие сплавы на никелевой основе. Легированные сплавы на никелевой основе широко применяются при изготовлении газотурбинных двигателей для рабочих и сопловых лопаток и в меньшей степени — для турбинных дисков и колец [1,3].

Все жаропрочные сплавы на никелевой основе целесообразно подразделить на следующие две группы:

1. Сплавы ЭИ437, ЭИ617, ЭИ826, ЭИ929, ЭП57, ЭП220, ЖСЗ,ЖС6, ЖС6К, ЭП539, ЭИ698, содержащие Ti и А1 и упрочняющиеся вследствие образования интерметаллидной фазы γ' [N₃(Ti, A1)].

2. Сплавы ЭИ827, ЭИ828, ЭИ867, ЭП109, ЭП238, содержащие только алюминий и упрочняющиеся фазой Т₃А1. К этой группе сплавов относиться и сплав ХН60ВТ, имеющий обозначение ЭИ 868. Сплавы такого типа в деформированном состоянии раньше за рубежом практически не применялись. Для легирования основного твердого раствора отечественных сплавов используют одновременно молибден и вольфрам, в то время как в серийные зарубежные сплавы вводили только молибден.

Исследованиями показано, что разупрочнение сплавов с вольфрамом и молибденом меньше, чем при наличии только одного молибдена. В Англии никельхромотитанистые сплавы известны под марками нимоник 80, 80А, 90, 95, 100, 105 и 115; в США — под марками инконель X, инко 550, 700, 71ЗС, удимет 500, удимет 700, рене 41, никротанг [3].

В результате сложного легирования у сплавов этой группы достигнуты более высокие жаропрочные свойства по сравнению со сплавами на железной и даже кобальтовой основах.

Металлический никель при 800 ⁰С имеет 100-ч длительную прочность 40 МПа. Присадка 20% Сг к никелю сравнительно мало упрочняет твердый раствор при высоких температурах и повышение предела длительной прочности составляет 25-30%. Хром улучшает окалиностойкость и, кроме того, повышает энергию связи атомов в твердом растворе системы Ni—Cr—Fe.

Введение в сплавы 2,5-3,0 % Ti способствует образованию высокодисперсных интерметаллидных фаз при умеренных температурах, увеличивая тем самым сопротивление сплава пластической деформации и повышая 100-ч длительную прочность при 800 ⁰С до 150 МПа. Внедрение в нихромовые сплавы титана вместе с бором повышает ее до 200 МПа. Еще более значительному росту жаропрочности способствует увеличение содержания титана или алюминия (или их суммы) вместе с бором и тугоплавкими элементами - W, Мо или Nb. Установлено, что характеристическая температура, пределы длительной прочности и внутреннее трение с внедрением титана в никель и в хромоникелевые (никельхромистые) сплавы повышаются. Известно, что между скоростью роста частиц второй фазы при старении сплава на никелевой основе и длительной прочностью имеется определенное соответствие. Присадка бора ускоряет процессы укрупнения частиц.

Никелевые сплавы марок ЭИ 868, ЭИ 929 и др. обладают высокой стабильностью свойств, определяемых при длительных испытаниях на разрыв, что подтверждено неоднократными испытаниями в лабораторных и промышленных условиях. Между длительной прочностью, твердостью при соответствующей температуре испытания и количеством упрочняющих фаз, образующихся в результате термической обработки хромоникелевых сплавов, наблюдается определенная зависимость. С повышением содержания титана или алюминия или их суммы в никельхромистом сплаве увеличивается количество интерметаллидной фазы типа γ' [Ni (Ti,A1)] или фазы Ni₃Al .

С понижением температуры растворимость титана в двойной и в тройной системах резко падает. Так, при 750 ⁰С в двойной системе Ni-Ti растворимость титана составляет уже 10%, а в тройных сплавах с 20% Сг — примерно 4%. По-видимому, при дальнейшем снижении температуры растворимость титана Ni - Сг твердом растворе еще более резко падает и сплавы с содержанием титана меньше 4% при комнатной температуре, возможно, уже являются двухфазными. Однако в состав жаропрочных сплавов, кроме титана, как правило, входит алюминий. Согласно диаграммам состояния системы Ni—Al—Ti, алюминий оказывает значительное влияние на растворимость титана в никеле. Так, при 1150 ⁰С растворимость титана в никеле снижается с 13 до 8% при содержании 5% А1. При 750 ⁰С это явление еще более ярко выражено. Аналогичное действие на растворимость алюминия в никеле оказывает титан.

Насыщенный γ- раствор титана в никеле находится в равновесии с интерметаллидным соединением Ni₃Ti (τ)-фаза с гексагональной решеткой в двойной системе без алюминия и в тройной системе при малых концентрациях алюминия. Насыщенный (γ) твердый раствор алюминия в никеле находится в равновесии с у-фазой с гранецентрированной кубической решеткой, построенной на базе соединения N₃А1. В тройной системе в области более высокого содержания алюминия, γ'-фаза представляет основную вторую фазу. Растворимость обоих соединений [Ni₃Ti (τ)-фаза) и γ'-фазы в твердом растворе в зависимости от температуры из меняется, что сообщает сплавам способность к дисперсионному упрочнению.

При введении хрома в двойные и тройные сплавы системы Ni-Al-Ti механизм превращений в этих сплавах не меняется, но кривые растворимости смещаются в сторону меньших концентраций. Кроме того, изменяется энергия связи атомов в кристаллической решетке и скорости диффузии хрома и титана.

Наиболее распространенной фазой, играющей главную роль в упрочнении жаропрочных сплавов на никелевой основе и ряда сплавов на никелевой основе, является γ'-фаза. Она имеет гранецентрированную кубическую решетку, близкую к решетке γ-твердого раствора, но несколько большего параметра, и по химическому составу приближается к соединению Ni (Ti,Al); γ'-фаза содержит небольшие количества хрома.

Известно, что закаленный пересыщенный твердый γ-раствор по существу не является однородным в отношении распределения атомов алюминия и титана в решетке растворителя. В зависимости от скоростей охлаждения и состава величина этой неоднородности различна. Имеются области, настолько обогащенные титаном и алюминием, что в них возможно образование сверхструктуры с размерами от 80 до 1000 А. Сплавы с большим содержанием алюминия и сложнолегированные сплавы типа ЭИ617 уже при охлаждении на воздухе подвергаются распаду, что отмечается по разнице в твердости сплава, закаленного в воде и на воздухе. В зависимости от температуры и продолжительности выдержки при старении сплава типа ХН77ТЮ (ЭИ437А) наблюдаются следующие изменения. При нагреве до 500 ⁰С в закаленном на твердый раствор сплаве каких-либо структурных изменений не наблюдается. В интервале 500-600 ⁰С [3] изменяется характеристическая температура, которая достигает при этом максимального значения. Величины изменения среднеквадратичных смещений атомов в решетке при тепловых колебаниях становятся минимальными, что указывает на увеличение сил связи атомов в кристаллической решетке. В этом интервале температур период решетки не изменяется, что свидетельствует лишь о подготовительном процессе диффузионного перераспределения атомов титана и алюминия без перестройки решетки.

Усиленная подвижность атомов, характеризуемая изменением динамических и статических смещений, наблюдается при 700 ⁰С, что сопровождается выделением γ'-фазы, обогащенной титаном и алюминием. Уменьшение периода кристаллической решетки также свидетельствует об образовании γ'-фазы. Нагрев при 800 ⁰С сначала вызывает ускорение процессов выделения γ'-фазы, а затем перестройку решетки из кубической в гексагональную. Рост частиц и перерождение кубической γ'-фазы отмечают многие исследователи. Процессы, протекающие при старении в хромоникельтитанистых сплавах с алюминием, сопровождаются изменением физических и механических свойств: изменяются параметр решетки, удельное электросопротивление [3].

Установлено, что предварительное разупрочняющее высокотемпературное старение приводит к значительному развитию сдвиговой деформации. Несмотря на межзеренный характер разрушения, этот сплав сохраняют высокую пластичность. С увеличением содержания титана или алюминия или их I суммы увеличивается количество γ'-фазы или фазы Ni₃Al и их термическая стойкость. При этом алюминий оказывает очень сильное влияние на количество γ'-фазы в никельхромотитанистых сплавах. С повышением количества алюминия содержание легирующих элементов в γ'-фазе резко возрастает. Сплавы на никелевой основе (без титана) упрочняются вследствие образования фазы Ni₃Al, которая также повышает их жаропрочные свойства. Таким образом, алюминий представляет ценный легирующий элемент в аустенитных сталях с высоким содержанием никеля, особенно в сплавах на никелевой основе. Одновременное введение титана и алюминия действует более эффективно, чем добавка только титана. Алюминий, вводимый в сложнолегированные никельхромистые жаропрочные сплавы, оказывает очень сильное влияние на повышение жаропрочных свойств этих сплавов, причем тем большее, чем выше его содержание. Однако если количество алюминия больше 3- 4%, то возникают затруднения при ковке, что и ограничивает возможность более сильного легирования этим элементом труднодеформируемых жаропрочных сплавов [3, 4].

  2.2. Химический состав и механические свойства сплава ЭИ868

Жаропрочный и жаростойкий сплав на никелевой основе ЭИ868 относится к группе хромоникелевых сплавов и достаточно широко применяется при изготовлении деталей двигателей, работающих при достаточно высоких температурах и испытывающих повышенные нагрузки. Довольно часто в научной и технической литературе сплав ЭИ868 встречается под своим устаревшим названием - сплав ХН60ВТ [3,4]. Химический состав сплава ЭИ868 (в %) согласно ТУ 14-1-1747-76 [5] представлен в табл.1, механические свойства сплава представлены в табл.2 [5, 6].

Таблица 1

Химический состав хромоникелевого сплава ЭИ868, % по массе

(ТУ 14-1-1747-76) [5].

C	Cr	W	Ti	Ni	Al	Fe	Mn	Si	Cu	S	P
					не более
0,10	23,5-26,5	13-16	0,3-0,7	Основа	0,5	4,0	0,50	0,80	0,07	0,013	0,013

Некоторые механические и физические свойства хромоникелевого сплава представлены в табл.3-8. Сплав ЭИ868 удовлетворительно деформируется в горячем и в холодном состоянии. Температурный интервал горячей деформации составляет 1180-1050⁰С. Охлаждение после деформации производиться на воздухе. Сплав можно деформировать глубокой вытяжкой. Придельный коэффициент вытяжки составляет 2,06. Сплав удовлетворительно обрабатывается резанием. Сплав ЭИ868 (ХН60ВТ) применяется в деталях камер сгорания, форсажных камерах авиационных двигателей, в качестве элементов жаровых труб, экранов и других деталей, работающих длительное время при температурах 900-1000⁰С.

Таблица 2

Механические свойства хромоникелевого сплава ЭИ868 [5, 6].

Тип полуфабриката	ГОСТ, ОСТ, ТУ	Состояние полуфабриката	Температура испытания, 0С	Предел прочности sв, МПа	Относительное удлинение d, %	Относительное сужение y, %
Прутки диаметром от 8 до 60 мм	ЦНИИЧМ 293-60	Закаленные с температуры 1160 0С на воздухе в течении 30-60 мин.	20	750-850	25-30	---
			90	190-197	---	25-30
Прутки диаметром от 20 до 120 мм или со стороной квадрата 55-120 мм.	ТУ 14-1-286-72	Закаленные с температуры 1150 -1200 0С на воздухе в течении 30-60 мин.	20	770-890	---	---
			90	220	45	50
Прутки, трубные заготовки диаметром от 60 до 165 мм	ЦНИИЧМ 304-60	Закаленные с температуры 1200 0С на воздухе в течении 60-120 мин.	20	790-850	---	---
			90	190-197	30-35	35-45
Лист холоднокатанный	ТУ 14-1-1747-76	Закаленные с 1150-12000С в воде, под водяным душем или на воздухе.	20	£1050	40	---
			90	180	30	---

Таблица 3

Пределы длительной прочности, ползучести и выносливости хромоникелевого сплава ЭИ868 [5].

Состояние материала	Температура испытания , 0С	s100, МПа	s200, МПа	s300, МПа	s0,2, МПа	s-1, МПа
Закаленный с температуры 12000С с охлаждением на воздухе	20	---	----	---	---	250-300
	800	190-200	80-95	70-80	25-34	150-163
	900	40-60	38-45	35-40	10-14	120-125

Таблица 4

Термическая стойкость хромоникелевого сплава ЭИ868 [5]

Закаленный с температуры 12000С с охлаждением на воздухе	Температура испытания , 0С	Число теплосмен
	800-20	140
	900-20	56
	1000-20	33
	1100-20	21
	1200-20	14

Плотность сплава ЭИ868 составляет 8,88 г/см³.

Таблица 5

Жаростойкость (окалиностоийкость) при 100-часовом испытаниив воздушной среде [5].

Температура испытания , 0С	Вид покрытия	Привес, г×мм2/час.
1100	без покрытия	0,365
1100	с покрытием эмалью ЭВ-55	0,145
1200	без покрытия	0,607

Таблица 6

Коэффициент термического расширения хромоникелевого сплава ЭИ868

Температура испытания , 0С	20-100	20-200	20-300	20-400	20-500	20-600	20-700	20-800	20-900
a × 10-6 1/град.	12,7	13,2	13,7	14,1	14,5	15,1	15,6	16,0	16,2
Температура испытания , 0С	100-200	200-300	300-400	400-500	500-600	600-700	700-800	800-900	900-1000
a × 10-6 1/град.	13,7	14,5	15,4	16,2	18,0	18,8	18,9	19,7	20,4

Таблица 7

Удельная теплоемкость хромоникелевого сплава ЭИ868 [1].

Температура испытания , 0С	100	200	300	400	500	600	700	800	900
С, кал. / грамм × 0С	0,105	0,11	0,115	0,12	0,125	0,13	0,13	0,135	0,14

Таблица 8

Теплопроводность хромоникелевого сплава ЭИ868 [5].

Температура испытания , 0С	100	200	300	400	500	600	700	800	900
λ, кал. / см×сек×0С	0,023	0,025	0,028	0,033	0,039	0,049	0,051	0,056	0,062

На рис.2,3,4 представлены кривые растяжения и кривые ползучести сплава ЭИ868 в зависимости от различных условий нагрузки [5]. Сплав немагнитен. Хорошо сваривается аргонно-дуговой и контактной сваркой.

В табл.9 представлена штампуемость сплава ЭИ868 (ХН90ВТ) при холодной листовой штамповке.

Таблица 9

Штампуемость хромоникелевого сплава ЭИ868 [5].

Вид листоштамповочной операции	Вытяжка	Отбортовка	Сферическое выдавливание	Гибка
Показатель штампуемости	Коэффициент вытяжки Квыт.	Коэффициент отбортовки Котб.	Коэффициент выдавки Квыд.	Минимальный радиус гибки rmin
Численное значение показателя	1,8-1,9	1,5-1,55	0,35-0,4	1 - 1,2 от толщины листа

Кривые растяжения образцов из сплава ЭИ868 до предела текучести [5]

Кривые растяжения образцов из сплава ЭИ868 от предела текучести

до разрушения [5]. Кривые ползучести сплава ЭИ868 при температуре 900⁰С [5].