повышению коэффициента полезного действия двигателя и к увеличению его ресурса. В условиях ползучести типичным является разрушение мате­ риала по границам зерен в результате стока дислокаций и вакансий на эти границы, что обусловливает концентрацию напряжений и зарождение трещин. В литом сплаве диффузионные процессы протекают существенно медленнее, чем в деформированном. Это в значительной мере определяет более высокую структурную стабильность литейных сплавов. Создание двигателей нового поколения выдвинуло новую проблему обеспечение высоких термоусталостных свойств материала рабочих лопаток.

Материалы камеры сгорания должны обладать достаточной прочно­ стью при рабочих температурах. Основным требованием является стой­ кость к окислению, термической усталости и короблению.

Материалы деталей сопла должны иметь достаточный уровень жаро­ прочности, повышенную пластичность, стойкость к короблению.

Несмотря на большое разнообразие требований, предъявляемых к жа­ ропрочным материалам, основным все-таки является жаропрочность.

Жаропрочность - это способность материала противостоять механи­ ческим нагрузкам при высоких температурах.

Напряжение, которое вызывает разрушение металла при повышенных температурах, сильно зависит от продолжительности приложения нагруз­ ки. С одной стороны, оно может быть велико при кратковременном при­ ложении нагрузки и мало, если нагрузка действует длительное время. С другой стороны, чем выше температура металла, тем ниже разрушающие напряжения при данной продолжительности воздействия нагрузки. При повышенных температурах прочность металла определяется двумя факто­ рами - температурой и временем - и называется длительной прочностью. Длительная прочность - это предел прочности материала при данной дли­ тельности испытания и температуре. Длительная прочность обозначается греческой буквой а (сигма) с индексами, нижний индекс показывает про­ должительность воздействия напряжений в часах, верхний - температуру

975

испытания, например о JQQ = 200 М П а .

Жаропрочные свойства в первую очередь определяются природой ос­ новного компонента сплава, затем его легированием и наконец режимами предшествовавшей термической обработки, приводящей сплав в то или иное структурное состояние.

5.2. Классификация жаропрочных сплавов на основе никеля

Жаропрочных сталей и сплавов разработано очень много. Это слабо­ легированные стали перлитного и ферритного классов, работающие в ин­ тервале температур 350-500 °С. Это и стали аустенитного класса, рабо­

тающие при 500-650 °С. При температурах более 650 °С используются вы­ соколегированные сплавы на основе никеля, кобальта, хрома и молибдена.

Здесь мы рассмотрим никелевые жаропрочные сплавы. Они относятся к сплавам аустенитного класса. Преимущественное применение имеют сплавы, содержащие, как правило, большое количество хрома и меньшие количества элементов (присадок) - алюминия, титана, вольфрама, молиб­ дена, ванадия и др.

Сплавы на основе никеля делятся на гомогенные (так называемые ни­ хромы и инконели) и стареющие (так называемые нимоники).

Нихромы не упрочняются термической обработкой, нс склонны к дис­ персионному твердению (хотя на самом деле они содержат вторые фазы, но в количествах, не вызывающих сильного эффекта старения).

Нихромы представляют собой сплавы никеля и хрома или никеля, хрома и железа с минимальным содержанием углерода и других элемен­ тов, которые могли бы образовать вторые фазы. Структура этих сплавов представляет собой твердый раствор этих элементов в никеле (гранецен­ трированная кубическая решетка). Гомогенный твердый раствор не обла­ дает высокой прочностью и жаростойкостью. Сплавы этого типа, как пра­ вило, не используются для ненагруженных деталей, т.е. не применяются как жаропрочный материал. Нихром находит применение как материал для электрических нагревательных элементов сопротивления. Марки нихро­ мов-Х13Ю 4, 1Х17Ю5, 1Х25Ю5, Х20Н80, Х15Н60.

Нимоники упрочняются термической обработкой и применяются по­ сле закалки и отпуска. Упрочнение создается благодаря выделению кар­ бидных, карбонитридных и интерметаллидных фаз. Способность к старе­ нию обусловлена наличием некоторых элементов (кроме хрома и никеля) в количествах, превосходящих их предел растворимости.

Нимоник основного «классического» состава представляет собой сплав Ni - Cr - Ti - А1 (приблизительно 20 % Сг, 1 % А1 и 2 % Ti, осталь­ ное никель) Все современные жаропрочные сплавы относятся к нимоникам - сплавам, упрочняемым термической обработкой, т.е. к дисперсион- но-твердеющим сплавам.

5.3. Основные структурные составляющие никелевых сплавов

Матрица сплава (у-фаза). Это цельная матрица, представляющая со­ бой аустенитную фазу на никелевой основе с гранецентрированной куби­ ческой кристаллической (г.ц.к.) решеткой, обычно с повышенным содер­ жанием элементов, образующих твердые растворы: кобальта, хрома, мо­ либдена и вольфрама.

Упрочняющая фаза (у'-фаза). Алюминий и титан введены в сплав в количествах и взаимных пропорциях, обеспечивающих выделение боль­

ших объемных количеств у'-, у-фазы. у'-фаза имеет г.ц.к. решетку и выде­ ляется когерентно с аустенитом, она больше обогащена алюминием и ти­ таном, чем у-фаза.

у'-фаза представляет собой соединение типа А3В, где А - никель или кобальт, В - алюминий или титан. Такие соединения образуются в матри­ цах с высоким содержанием никеля. Форма у'-фазы связана с величиной несоответствия параметров решеток у- и у'-фаз. Частицы у' имеют сфери­ ческую форму при несоответствии решеток 0,0- 0,2 %, кубическую - при несоответствии решеток 0,5-1,0 % и пластинчатую - при несоответствии более 1,25 %.

Карбиды. Несмотря на малое содержание, углерод оказывает большое влияние на структуру и свойства жаропрочных сплавов. Выделение карби­ дов в таких сплавах необходимо строго контролировать. Чрезмерно боль­ шое выделение карбидов отрицательно влияет на пластичность сплава. Недостаточное выделение карбидов по границам зерен приводит к умень­ шению долговечности.

Топологически плотноупакованные фазы (т.п.у.) - а-, /л- и Лавесфазы. Они образуются в определенных условиях (имеют пластинчатую форму) и обусловливают пониженную длительную прочность и пластич­ ность сплава.

5.4. Основные направления увеличения прочности сплавов на никелевой основе

Путей увеличения прочности жаропрочных сплавов много, но основ­ ными являются:

-упрочнение твердого раствора у-фазы;

-увеличение объемного содержания у'-фазы;

-дисперсионное упрочнение у'-фазой;

-выделение карбидов благоприятной формы по границам зерен для достижения хорошей длительной прочности;

-сведение к минимуму т.п.у. фаз (а-, ц-, Лавес-фазы, №3 NB).

Все заложенные разработчиком сплава возможности могут быть реа­ лизованы только при правильном проведении термической обработки.

Промышленные аустенитные жаропрочные сплавы в пересыщенном твердом растворе содержат значительные количества легирующих доба­ вок, увеличивающих прочность, сопротивление ползучести или стойкость сплавов к поверхностному разрушению. Сплавы на никелевой основе име­ ют никельхромвольфраммолибденовую матрицу, которая упрочняется когерентными частицами у' (Ni, Al, Ti) с оптимальными добавками кобаль­ та, ниобия, тантала, циркония, бора, углерода и железа. Эти добавки влия­

ют на различные физические свойства или кристаллографию, например на параметр кристаллической решетки и модуль упругости. Устойчивость структуры никеля при легировании объясняется практически полным за­ полнением З^-электронной оболочки, образованием пленок, богатых Сг20з

и А120 з. Пленки Сг20з ограничивают скорость диффузии металлических элементов из сплава, а кислорода, азота, серы и других вредных приме­ сей - из атмосферы внутрь сплава. Пленки, богатые А120з, имеют высокую стойкость против окисления.

Как уже отмечалось, легирующие элементы вводятся в сплав в коли­ чествах и пропорциях, обеспечивающих выделение большого количества у'-фазы. С развитием жаропрочных сплавов содержание у'-фазы увеличи­ лось с 20 до « 70 %. Выделяющаяся в больших количествах у'-фаза обеспе­ чивает высокую прочность сплавов. Малая скорость разупрочнения при высоких температурах связана с небольшой диффузионной подвижностью атомов алюминия и титана,обусловленной значительными силами меж­ атомных связей в решетках у-и у'-фаз. Достаточная прочность и малая ско­ рость разупрочнения обеспечивают высокую жаропрочность сплавов. По­ мимо этого у наиболее жаропрочных сплавов температура полного раство­ рения у'-фазы максимальна. Наследственная пластичность у'-фазы препят­ ствует сильному охрупчиванию сплава.

При прочих равных условиях свойства жаропрочного сплава будут лучше в том случае, когда дисперсность у'-фазы выше. Высокодисперсное распределение у'-фазы обеспечивается термической обработкой: закалкой и отпуском (старение). При наличии высокодисперсной у'-фазы решающее влияние на свойства сплава оказывает структурная стабильность, малая скорость разупрочнения, т.к. протекающий процесс коагуляции фаз отри­ цательно сказывается на жаропрочных свойствах сплава.

В жаропрочные сплавы на основе никеля углерод вводится в количе­ ствах « 0,05-0,2 %. При его взаимодействии с присутствующими химиче­ ски активными тугоплавкими элементами образуются первичные МеС карбиды. Во время термической обработки и в процессе эксплуатации они распадаются на карбиды с пониженным содержанием углерода - Ме2зСб и МебС, выделяющиеся по границам зерен. Карбиды Ме2зСб оказывают зна­ чительное влияние на свойства никелевых сплавов. Располагаясь по грани­ цам зерен, они увеличивают предел длительной прочности сплава, затруд­ няя проскальзывание границ зерен. Обычно разрушение начинается или с разрыва самих частиц Ме2зСб, находящихся на границах зерен, или с на­ рушения сил связи на поверхности раздела Ме2зСб~ у-фаза. Карбиды МебС стабильны при более высоких, чем карбиды Ме2зСб, температурах. Выделение карбидов МебС по границам зерен более предпочтительно. Они