Рис. 196. Кривые ползучести при 980 С и а=206 МПа сплава на никелевой основе после обычной (/),

менение сплавов, полученных направленной кристаллизацией (НК), позволяет резко уменьшить роли границ зерен в разрушении, так как после направленной кристаллизации границы зерен располагаются в основном параллельно приложенному усилию, а границы, перпендикулярные направлению деформации, отсутствуют. Еще более высокие характеристики жаропрочности показывают сплавы, имеющие монокристаллическую структуру, т. е. когда деталь выращивается из одного центра кристаллизации (затравки) и не имеет большеугловых границ зерен. Следует понимать, что монокристаллическая структура сложнолегированных жаропрочных сплавов не соответствует представлениям

направленной (2) и монокристаль- мпнгчгпмгтя и гтя Y чигтнх МР-

ной (3) технологии кристаллизации О МОНОКрИСТаЛЛах ЧИНЫА ме

<М. Мак-Лии, Ф. Шуберт) таЛЛОВ, ИМСЮЩИХ ОДНу кри-

сталлическую решетку. В жаропрочных сплавах, закристаллизованных из одного центра, имеются различные фазы: 7-фаза, карбиды, у-фаза и, следовательно, межфазные границы. Однако в них отсутствуют границы зерен, что сильно повышает жаропрочность (рис. 196).

Получение сплавов направленной кристаллизации или с монокристаллической структурой заключается в проведении контролируемой кристаллизации из жидкого состояния, когда поверхность раздела между расплавом и твердой фазой поддерживается плоской и перпендикулярной! к желательному направлению кристаллизации. Это возможно получить, кодаг по всему сечению детали тепловой: поток распространяется параллельно направлению роста.

Таким образом, в настоящее время применяют жаро-< прочные сплавы, полученные равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией и с монокристаллической структурой.

Отметим, что последние два технологических процесса значительно повышают стоимость деталей; их применяют] только в особо ответственных случаях. Состав и свойства деформируемых сплавов на никелевой основе регламен-! тирует ГОСТ 5632-72.

В технической литературе представлено большое количество жаропрочных никелевых сплавов, что свидетельствует об их интенсивной разработке. В зависимости от кон-

кретных условий эксплуатации деталей необходимо дифференцированно подходить к выбору таких сплавов. В табл. 40 приведены составы и свойства некоторых жаропрочных сплавов на никелевой основе, применяемых в СССР. Аналогичные или близкие по составу сплавы используют и за рубежом.

Термическая обработка сплавов на никелевой основе заключается в закалке (иногда двойной закалке от разных температур) и старении, которые проводят в одну или две стадии: низко- и высокотемпературные.

Цель такой сложной термической обработки - обеспечить наиболее оптимальное сочетание количества и морфологии упрочняющих фаз в сплавах и, следовательно, благоприятное сочетание характеристик жаропрочности и пластичности.

Для деформируемых сплавов первую закалку проводят с целью гомогенизации структуры, растворения у-фазы и карбидных фаз. Чем легированнее сплав, чем больше в сплаве упрочняющей у-фазы, тем выше температура закалки. Так, сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437Б), нимоник 80 (в которых содержится около 10% у-фазы) закаливают от 1080°С, а сплавы ХН55ВМТКЮ (ЭИ929), нимоник 110,115 (35-45 % у-фазы)-от 1200°С. После такой обработки сплав состоит в основном из у-матрицы, первичных карбидов МеС и в сложнолегированных сплавах небольшого количества у-фазы, которая образуется в процессе охлаждения на воздухе.

Вторую закалку проводят от 1040-1100 °С. В результате происходит повторное растворение у-фазы и ее вы;(еле-ние при охлаждении в более дисперсном виде, но главная цель этой обработки - образование выделений карбидных фаз благоприятных типов и морфологии, в частности стремление избежать образования сплошной пленки карбидов типа ЛГегзСб по границам зерен и добиться образования зернистых карбидов типа МеС или МеуСз.

Старение при повышенных температурах (обычно выше рабочих температур) проводят для выделения у-фазы и стабилизации структуры сплава, а окончательное низкотемпературное старение для дополнительного выделения у-фазы в мелкодисперсном виде.

Литейные сплавы также можно подвергать высокотемпературной закалке, которая гомогенизирует их структуру и способствует более равномерному выделению упрочняющих фаз. Старение этих сплавов чаще проводят в одну, высокотемпературную стадию, так как литейные сплавы обыч-

Таблица 40. Состав и Стдл некоторых сплавов на никелевой основе

Марка сплава

Содержание основных легирующих элемен

Деформируемые

Примечание: в - вода; вз - воздух; и. к - направлеиная кристаллизация.

НО работают при более высоких температурах. Иногда эти сплавы используют непосредственно в литом состоянии, причем старение происходит в процессе эксплуатации.

Следует указать на необходимость применять при термической обработке меры для предотвращения вредного влияния окислительной среды и выгорания легирующих элементов из поверхностных слоев. Это достигается применением защитных атмосфер или специальных обмазок.

Поскольку детали из жаропрочных сплавов на никелевой основе очень часто используются с защитными покры-

никелевые сплавы

700 °С+750 °С, 16 ч

950°С, 8 ч

850°С, 8 ч

950°С, 16 ч

950 °С, 16 ч

950°С, 16 ч

950°С, 16 ч

тиями (например, алитирование, хромалитирование и др.), то следует учитывать возможные изменения структуры и свойств сплавов при технологических нагревах и охлаждениях в процессе их нанесения.

4. Дисперсноупрочненные сплавы

Для работы при предельно высоких температурах (до 1200-1300 С) никелевые сплавы, упрочняемые прн старении, не могут применяться вследствие разупрочнения и потери жаропрочности. Для этих целей

разработаны композитные сплавы, полученные методами порошковой металлургии, в которых упрочнение обеспечивается высокодисперсиыми частицами тугоплавких соединений. Эти сплавы называются дисперс-ноупрочненными. Не следует путать терминологию: стареющие сплавы называются в литературе дисперсиоиноупрочненными, а композиционные - дисперсноупрочиенными.

Матрица этих сплавов обычно представляет собой нелегированиый никель или однородный у-твердый раствор на никелевой основе: Ni-I--1-20 % Сг, Ni-f-15 % Мо, Ni-f-20 % СгЧ-Мо. В качестве упрочняющих частиц используют тугоплавкие окислы тория, гафиня или циркония. Применение окислов титана или алюминия ие дало положительных результатов вследствие сильного снижения жаростойкости сплавов. Также ие удается использовать для упрочнения тугоплавкие карбиды и нитриды вследствие высокой растворимости углерода и азота в никеле (0,3--0,4 % при 1200°С), тогда как растворимость кислорода при 1200 С составляет 0,01 %.

Наибольшей стабильностью в никеле обладает двуокись тория, которая является упрочняющей фазой в дисперсиоупрочненных сплавах ВДУ-1. В сплаве ВДУ-2 использована двуокись гафния. Объемное содержание упрочняющих фаз в этих сплавах составляет 2-3 % Сплав ВДУ-3 имеет матрицу из иихрома (Ni-f-20 %Сг) и упрочняется частицами окиси тория.

В зарубежной литературе сплавы, аналогичные ВДУ-1 и ВДУ-3, называют соответственно ТД-никель и ТД-нихром (табл. 41).

Таблица 41. Характеристики длительной прочности дисперсиоупрочненных и стареющих никелевых сплавов (К. И. Портной, Б. Н. Бабич)

* в числителе в знаменателе Ciqqqq

Диаметр частиц, мкм . Число частиц в 1 см . Межфазная поверхность, ы/см.....

Максимальные характеристики жаропрочности этих сплавов обеспечиваются при размере частиц 0,01-0,05 мкм (в стареющих сплавах размеры упрочняющих интерметаллидных фаз 0,2-0,3 мкм), средних расстояниях между частицами 0,1-0,5 мкм и объемной доле частиц до 5-10 /о.

Микрогетерогенность строения этих сплавов очень высока и может быть показана следующими данными (А. Т. Туманов и др.) для сплава, содержащего 3 % частиц:

0,01 0,05 0,1

5,7-10 4,6-101* 5,7-1013

б,МПа гоо

Рис. 197. Зависимость времени до разрушения т от напряжения а для дисперсиоупрочненных (/) и стареющих (2) сплавов иа никелевой основе при 1100 °С (К. И. Портной, Б. Н. Бабич)

Наиболее важным в технологии получения этих сплавов считается создание равномерного распределения ультрастойких частиц окислов, что достигается специфическими технологическими приемами приготовления исходных порошков и методами порошковой металлургии. Для получения порошков применяют метод химического осаждения из водных растворов солей с последующим разложением осадка и селективным восстановлением никеля в водороде.

При комнатной и умеренных температурах дисперсно-упрочненные сплавы уступают стареющим жаропрочным сплавам, но при температурах выше 1100°С их жаропрочность более высокая (рис. 197).

Считается, что перспективы улучшения сплавов этого типа заключаются в сочетании принципов дисперсного упрочнения окислами и дисперсионного упрочиеиия при старении.

В этом случае до температуры 800-900 °С уровень жаропрочности определяется главным образом упрочнением вследствие старения никелевого аустенита с выделением интерметаллидных фаз типа у-фазы Ni3(Al, Ti), а при более высоких температурах - тугоплавкими окислами.

5. Жаропрочные сплавы на основе кобальта

Жаропрочные сплавы на основе кобальта имеют более низкие характеристики жаропрочности по сравнению со сплавами на основе никеля. Уровень жаропрочности кобальтовых сплавов связан с упрочнением твердого раствора при легировании и с выделением упрочняющих фаз.

Кобальтовые сплавы вследствие специфики механизма упрочнения содержат повышенное количество углерода, обычно от 0,25 до 1 % С. ,

Преимуществом сплавов на основе кобальта является их хорошая коррозионная стойкость при повышенных температурах, например в продуктах сгорания топлива, содержащего серу, они характеризуются высокой стабильностью структуры при длительных сроках службы под нагружением и, следовательно, имеют более пологий ход кри-