Aliaje rezistente la căldură

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 31 ianuarie 2016; verificările necesită 26 de modificări .

Aliajele termorezistente  sunt materiale metalice cu rezistență ridicată la deformarea plastică și distrugerea sub acțiunea temperaturilor ridicate și a mediului oxidant. Începutul studiilor sistematice ale aliajelor rezistente la căldură cade la sfârșitul anilor 1930 - perioada unei noi etape în dezvoltarea aviației asociată cu apariția avioanelor cu reacție și a motoarelor cu turbină cu gaz (GTE).

Aliajele rezistente la căldură pot fi pe baze de aluminiu, titan, fier, cupru [1] , cobalt și nichel. Cele mai utilizate în motoarele de aeronave sunt aliajele termorezistente cu nichel, din care sunt realizate palete de lucru și duze , discuri ale rotorului turbinei, părți ale camerei de ardere etc.. În funcție de tehnologia de fabricație, aliajele termorezistente de nichel pot fi turnate, deformabile. și pulbere. Cele mai rezistente la căldură sunt aliajele complexe pe bază de nichel, capabile să funcționeze până la temperaturi de 1050–1100 °C timp de sute și mii de ore la sarcini statice și dinamice mari [2] .

Istorie

Primele oțeluri rezistente la căldură pentru motoarele cu turbine cu gaz au fost dezvoltate în Germania de Krupp în 1936-1938. Oțelul austenitic înalt aliat Tinidur a fost creat ca material pentru paletele turbinelor la temperaturi de 600–700 °C. Tinidur este un oțel austenitic cu călire prin precipitare (Ni 3 Ti) și călire cu carbură . În 1943-1944, producția anuală de Tinidur era de 1850 de tone. Institutul Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) și Heraeus Vacuumschmelze au dezvoltat oțeluri austenitice (aliaje în terminologia engleză) DVL42 și DVL52 pentru temperaturi de funcționare mai ridicate de 750–800 °C. Compozițiile oțelurilor sunt prezentate în tabel.

Compozițiile chimice ale oțelurilor austenitice germane rezistente la căldură pentru motoarele cu turbine cu gaz [3] [4] [5]
Nume %C %Mn %Si %Ni %Co %Cr %Mo %W %Ti %Al % alte
articole
Tinidur până la 0,14 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14,5-15,5 1,8-2,2 0,2
Baza Fe
DVL42 până la 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1,5-2,0
Baza Fe
DVL52 până la 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 4-5%Ta
Chromadur 0,9-0,12 17,5-18,5 0,55-0,7 11,0-14,0 0,7-0,8 V
0,60-0,70 0,18-0,23 N 2

În Germania, în anii 1940, a existat o dorință printre dezvoltatorii de motoare cu turbine cu gaz pentru avioane de a crește temperatura gazului din fața turbinei la 900 ° C. În acest scop, Institutul DVL, împreună cu o serie de firme, a experimentat cu aliaje austenitice complex aliate. În timpul războiului, imposibilitatea unei astfel de soluții a fost recunoscută din cauza deficitului acut de elemente de aliere din Germania. În urma cercetărilor s-au adoptat două direcții: 1. realizarea paletelor goale răcite cu aer (de lucru și duză) cu o reducere corespunzătoare a alierei materialelor utilizate; 2. studiul posibilităţilor materialelor ceramice. Ambele domenii de activitate au fost de pionierat și s-au obținut rezultate semnificative pentru fiecare dintre ele.

Prima serie de motoare cu reacție Jumo-004A au fost produse din 1942 cu lucru monolit și lame de duză din materialul Tinidur de la Krupp. Ulterior au fost înlocuite cu palete răcite goale din același material, ceea ce a făcut posibilă creșterea temperaturii gazului în fața turbinei la 850 °C (seria Jumo-004E). Din 1944, modificările în serie ale motorului Jumo-004B au folosit palete de rotor răcite goale din oțel Cromadur mai puțin rar .

Până în 1942, aliajul rezistent la căldură Nimonic-80, primul dintr-o serie de aliaje de întărire prin precipitare pe bază de nichel-crom la temperatură înaltă, a fost creat în Marea Britanie. Creatorul aliajului este William Griffiths .  Griffith W.T. Baza aliajului Nimonic-80 este nicromul (80% Ni - 20% Cr), cunoscut încă de la începutul secolului al XX-lea pentru rezistența ridicată la căldură și rezistența electrică ridicată . Elementele cheie de aliere ale aliajului Nimonic-80 au fost titanul (2,5%) și aluminiu (1,2%), care formează faza de întărire. Cantitatea fazei de întărire gamma-prime în aliaj a fost de 25–35 vol% [6] . Nimonic-80 a fost folosit într-o stare deformată pentru a face palete de turbină pentru unul dintre primele motoare cu turbină pe gaz Rolls-Royce Nin , care a început testarea pe banc în octombrie 1944 . Paletele turbinei din aliaj nimonic-80 au avut o rezistență ridicată pe termen lung la temperaturi de 750–850°C.

În URSS, analogii aliajului Nimonic-80 sunt aliajele rezistente la căldură cu nichel EI437, EI437A (KhN77TYu) și EI437B (KhN77TYuR), create urgent până în 1948 de angajații VIAM , TsNIIChermet și ai fabricii Khmu Elektrostal F. [ F. 7] .

Baza aliajelor rezistente la căldură, de regulă, sunt elementele grupei VIII a tabelului periodic . Până în anii 1940, baza aliajelor rezistente la căldură era fierul sau nichelul . S-a adăugat o cantitate semnificativă de crom pentru a crește rezistența la coroziune . Adăugările de aluminiu , titan sau niobiu au crescut rezistența la fluaj . În unele cazuri, s-au format faze fragile, cum ar fi, de exemplu , carburi M23C6 . La sfârșitul anilor 1940, utilizarea fierului ca bază a aliajelor rezistente la căldură a încetat și a început să se acorde preferință aliajelor pe bază de nichel și cobalt . Acest lucru a făcut posibilă obținerea unei matrice centrate pe față mai puternică și mai stabilă .

La sfârșitul anilor 1940, a fost descoperită posibilitatea întăririi suplimentare a aliajelor rezistente la căldură prin aliaje cu molibden . Mai târziu, în același scop, au început să fie utilizați aditivi din elemente precum wolfram , niobiu , tantal , reniu și hafniu . (A se vedea carbura de tantal-hafniu , deși hafniul nu formează astfel de carburi în aliaje rezistente la căldură, dar crește rezistența și ductilitatea „mecanic”, provocând răsucirea granițelor, așa-numitul „efect de hafniu”. În plus, participă la formarea unor cantități suplimentare faza gamma prime [8] ).

Aliaje pe bază de nichel

În anii 1950, Pratt & Whitney și General Electric au dezvoltat aliajele Waspaloy și M-252 , aliate cu molibden și destinate palelor motoarelor de aeronave. Apoi au fost dezvoltate aliaje precum Hastelloy alloy X, Rene 41 , Inconel , inclusiv Inco 718 , Incoloy 901 etc.

Potrivit estimărilor experților, în perioada 1950-1980, compozițiile chimice ale aliajelor termorezistente de nichel s-au schimbat cel mai semnificativ datorită introducerii aluminiului și a elementelor care îl înlocuiau în faza '. Aceasta a condus la o creștere a fracției de volum a fazei ' de la 25-35% vol. în aliajele Nimonic 80 și U-700 la 65-70% vol. în materialele moderne ale lamei [6] .

Aliere

Aliajele rezistente la căldură pe bază de nichel au, de regulă, o compoziție chimică complexă. Include 12 - 13 componente, atent echilibrate pentru a obține proprietățile necesare. Conținutul de impurități precum siliciu (Si), fosfor (P), sulf (S), oxigen (O) și azot (N) este de asemenea controlat. Conținutul de elemente precum seleniu (Se), teluriu (Te), plumb (Pb) și bismut (Bi) ar trebui să fie neglijabil, ceea ce este asigurat prin selectarea materialelor de încărcare cu un conținut scăzut de aceste elemente, deoarece nu este posibil să scapi de ele în timpul topirii posibil. Aceste aliaje conțin de obicei 10-12% crom (Cr), până la 8% aluminiu (Al) și titan (Ti), 5-10% cobalt (Co), precum și cantități mici de bor (B), zirconiu (Zr ). ) și carbon (C). Se adaugă uneori molibden (Mo), wolfram (W), niobiu (Nb), tantal (Ta) și hafniu (Hf) .

Elementele de aliere din aceste aliaje pot fi grupate după cum urmează:

  1. Elemente care formează cu Ni o matrice austenitică cu o rețea cristalină centrată pe fețe - Co, Fe, Cr, Mo și W
  2. Elementele care formează faza de întărire (Ni 3 X) sunt Al, Ti, Nb, Ta, Hf. În acest caz, Ti, Nb și Ta fac parte din fază și o întăresc.
  3. Elemente care formează segregarea granițelor - B, C și Zr

Elementele care formează carbură includ Cr, Mo, W, Nb, Ta și Ti. Al și Cr formează pelicule de oxid care protejează produsele împotriva coroziunii.

Compoziția chimică tipică a aliajelor rezistente la căldură pe bază de nichel forjat [9]
Aliaj %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % alte
articole
Inconel X-750 73,0 18.0 - - 0,8 2.5 0,9 0,04 - - 6,8% Fe
Udimet 500 53.6 18.0 18.5 4.0 2.9 2.9 - 0,08 0,006 0,05
Udimet 700 53.4 15.0 18.5 5.2 4.3 3.5 - 0,08 0,03 -
Waspaloy 58.3 19.5 13.5 4.3 1.3 3.0 - 0,08 0,006 0,06
Astroloy 55.1 15.0 17.0 5.2 4.0 3.5 - 0,06 0,03 -
Rene 41 55.3 19.0 11.0 10.0 1.5 3.1 - 0,09 0,005 -
Nimonic 80A 74,7 19.5 1.1 - 1.3 2.5 - 0,06 - -
Nimonic 90 57.4 19.5 18.0 - 1.4 2.4 - 0,07 - -
Nimonic 105 53.3 14.5 20,0 5.0 1.2 4.5 - 0,2 - -
Nimonic 115 57.3 15.0 15.0 3.5 5.0 4.0 - 0,15 - -
Compoziția chimică tipică a aliajelor turnate rezistente la căldură pe bază de nichel [10]
Aliaj %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % alte
articole
B-1900 64,0 8.0 10.0 6.0 6.0 1.0 - 0,10 0,015 0,1 4,0% Ta
MAR-M200 60,0 9,0 10.0 - 5.0 2.0 1.0 0,13 0,015 0,05 12,0% W
Inconel 738 61,0 16.0 8.5 1.7 3.4 3.4 0,9 0,12 0,01 0,10 1,7% Ta, 3,6% W
Rene 77 58,0 14.6 15.0 4.2 4.3 3.3 - 0,07 0,016 0,04
Rene 80 60,0 14.0 9.5 4.0 3.0 5.0 - 0,17 0,015 0,03 4,0% W

Compoziția fazelor

Principalele faze ale aliajelor rezistente la căldură includ:

  1. Faza gamma ( ) este matricea fcc. rețea cristalină. Soluția solidă a acestei faze conține o cantitate mare de Co, Cr, Mo, W
  2. Faza gamma-prim ( ') formează particule dintr-un precipitat , care are și un fcc. rețea cristalină. Această fază include elemente precum Al și Ti. Fracția de volum a acestei faze, matricea austenitică coerentă este destul de mare
  3. Carburi. Conținutul de carbon din aliaje este relativ scăzut (0,05-0,2%). Se combină cu elemente care formează carbură - Ti, Ta, Hf
  4. Granul -limită '-faza. Această fază se formează sub formă de peliculă de-a lungul limitelor granulelor în timpul tratamentului termic .
  5. Boruri Se disting de-a lungul granițelor de cereale sub formă de particule rare
  6. Faze etc la. (fazele împachetate dens din punct de vedere topologic) au o morfologie lamelară . Exemplu: faze și faza Laves . Aceste faze duc la fragilizarea materialului și sunt nedorite.

Tratament termic

Superaliajele de nichel forjat conțin precipitate dispersate de carburi de tip MC în matrice. Recoacere de omogenizare face posibilă pregătirea matricei pentru a obţine o distribuţie uniformă a particulelor din faza de întărire în timpul îmbătrânirii ulterioare . De exemplu, pentru aliajul Inco 718 , recoacerea de omogenizare va dura 1 oră la 768°C, iar îmbătrânirea se realizează în două etape: 8 ore la 718°C și 8 ore la 621°C. După recoacere de omogenizare, este important să se mențină viteza de răcire pentru a preveni precipitarea fazelor nedorite. Răcirea între etapele de îmbătrânire se efectuează fără probleme timp de 2 ore.

Rezistenta la caldura

Unul dintre factorii care determină rezistența la căldură este rezistența mare la fluaj . Rezistența la căldură a aliajelor este estimată prin limitele rezistenței pe termen lung sau fluajului la temperaturi ridicate și este asociată, în primul rând, cu structura și compoziția acestora. După structură, aliajele rezistente la căldură ar trebui să fie multifazice cu granule puternice și granițe de fază [2] . În aliajele rezistente la căldură cu nichel, acest lucru este asigurat prin aliaje multicomponente. În acest caz, rezistența la temperatură ridicată a aliajelor este cu atât mai mare, cu atât fracțiunea de volum a fazelor de întărire este mai mare și stabilitatea lor termică este mai mare, adică rezistența la dizolvare și coagulare odată cu creșterea temperaturii.

Durabilitate

Aliajele de nichel rezistente la căldură sunt utilizate la temperaturi de 760-980 °C. Superaliajele turnate au o rezistență ridicată pe termen lung la temperaturi mai ridicate. De exemplu, aliajul MAR-M246 are o rezistență pe termen lung de 124 MPa după 1000 de ore la 982°C.

Aliajele nichel-fier rezistente la căldură sunt utilizate la temperaturi de 650-815 °C. Forța lor pe termen lung este mult mai mică.

Rezistența pe termen lung a aliajelor rezistente la căldură la trei temperaturi, MPa [10]
Aliaj 650 °C
100 ore 		650°C
1000 ore 		815°C
100 ore 		815°C
1000 ore 		982 °C
100 ore 		982 °C
1000 ore
Inconel X-750 552 469 179 110 24
Udimet 700 703 400 296 117 55
Astroloy 772 407 290 103 55
IN-100 503 379 172 103
MAR-M246 565 448 186 124

Superaliaje monocristaline

În anii 1970-1980, a început utilizarea aliajelor turnate rezistente la căldură obținute prin metode de cristalizare direcțională și aliaje monocristaline pe bază de nichel . Utilizarea acestor materiale (pe bază de nichel) a făcut posibilă creșterea rezistenței și durabilității termice a palelor turbinelor cu gaz.

Compoziția chimică a aliajelor termorezistente
obținute prin metode de cristalizare dirijată [10]
Aliaj %Cr %Co %W %Mo %Ta %Nb %Ti %Al %Hf %B %Zr %C
MAR-M200+Hf 9,0 10.0 12.0 - - 1.0 2.0 5.0 2.0 0,015 0,08 0,14
MAR-M246+Hf 9,0 10.0 10.0 2.5 1.5 - 1.5 5.5 1.5 0,015 0,05 0,15
MAR-M247 8.4 10.0 10.0 0,6 3.0 - 1.0 5.5 1.4 0,015 0,05 0,15
RENE 80H 14.0 9.5 4.0 4.0 - - 4.8 3.0 0,75 0,015 0,02 0,08
Compoziția chimică a aliajelor monocristaline rezistente la căldură [10]
Aliaj %Cr %Co %W %Mo %Ta %Nb %Ti %Al %Hf
Pratt & Whitney nr. 1 10.0 5.0 4.0 - 12.0 - 1.5 5.0 -
Pratt & Whitney nr. 2
(3% Re) 		5.0 10.0 6.0 2.0 8.7 - - 5.6 0,1
CMSX-2 8.0 5.0 8.0 0,6 6.0 - 1.0 5.5 -
SRR99 8.5 5.0 9.5 - 2.8 - 2.2 5.5 -


Deja experiența timpurie de operare a palelor motoarelor cu turbină cu gaz Jumo-004 a arătat (cercetări de K. Gebhardt, Krupp, Essen) că, în practică, durata de viață a palelor este determinată de rezistența la oboseală, iar numărul copleșitor de defecțiuni ale palelor sunt oboseala [11] .

Aliaje pe bază de cobalt

Încă de la începutul secolului al XX-lea, compania Haynes a primit  brevete pentru aliaje ale sistemului Co-Cr și Co-Cr-W. Aceste aliaje, numite „ stellite ”, au fost folosite la început pentru producția de scule așchietoare. și piese rezistente la uzură. În anii 1930 a fost dezvoltat aliajul de turnătorie Co-Cr-Mo pentru proteze dentare Vitallium. O compoziție similară a aliajului HS-21 a început să fie utilizată un deceniu mai târziu în turboîncălzitoarele și turbinele cu gaz. În același timp, au început să folosească un aliaj al sistemului Co-Ni-Cr pentru paletele de ghidare ale motoarelor cu turbine cu gaz. În 1943  , a fost dezvoltat un aliaj de turnare Co-Ni-Cr-W (X-40), folosit și la fabricarea lamelor. În anii 1950-1970 au fost dezvoltate noi aliaje termorezistente de nichel, realizate prin topire în vid și întărite prin precipitarea fazei '. Acest lucru a dus la o scădere a utilizării aliajelor pe bază de cobalt.

Caracteristici ale aliajelor rezistente la căldură pe bază de cobalt

Aliaje rezistente la căldură întărite prin dispersie

O problemă importantă în dezvoltarea materialelor structurale cu rezistență și ductilitate crescute este asigurarea stabilității și uniformității proprietăților fizice și mecanice ale acestora pe întregul interval de temperatură de funcționare, de la temperaturi criogenice până la temperaturi de pretopire. În prezent, cea mai promițătoare modalitate de a rezolva această problemă este consolidarea aliajului de bază cu nanoparticule dispersate de oxizi refractari. Astfel de materiale sunt numite aliaje ODS (oxide dispersion enhanced) [12] . Aliajele ODS se bazează cel mai adesea pe aliaje austenitice rezistente la căldură pe bază de Ni, Cr și Fe. Oxizii refractari de Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , La 2 O 3 , BeO şi Y 2 O 3 sunt utilizaţi în general ca particule de ranforsare . Superaliajele ODS se obțin prin aliere mecanică, care cuprinde următoarele etape: 1) măcinarea în comun a pulberilor componentelor superaliajului inițial în mori cu bile cu adaos de conglomerate de oxizi refractari fin dispersate; 2) etanșarea pulberii degazate într-un recipient de oțel etanș; 3) compactare prin extrudare; 4) presare la cald; 5) recristalizarea zonei. Superaliaj ODS (Inconel MA758) pe bază de oxid de ytriu Y 2 O 3 a fost dezvoltat în anii 90 ai secolului trecut.

Acoperiri de difuzie

Deoarece paletele turbinei din aliaje turnate rezistente la căldură funcționează la temperaturi ridicate și în medii agresive, devine necesară protejarea lor împotriva coroziunii la cald. În acest scop, se folosesc două tipuri de acoperiri de difuzie, așa-numitele. cementarea în lot și acoperirile aplicate în faza gazoasă. În timpul procesului de acoperire, stratul de suprafață este îmbogățit cu aluminiu și se formează aluminiură de nichel ca matrice de acoperire.

Procesul de cementare în lot

Procesul are loc la o temperatură mai scăzută (aproximativ 750 °C). Piesele sunt plasate în cutii cu un amestec de pulberi: material activ care conține aluminiu și formează o acoperire, un activator ( clorură sau fluorură ) și balast termic, cum ar fi alumina . La temperaturi ridicate, se formează clorură (sau fluorură) de aluminiu gazoasă, care este transferată pe suprafața produsului. Apoi clorura de aluminiu se descompune și aluminiul difuzează adânc în volum. Asa numitul. „acoperire verde”, foarte fragilă și subțire. Aceasta este urmată de recoacere prin difuzie (câteva ore la temperaturi de aproximativ 1080 °C). Aceasta formează stratul final.

Acoperire în fază gazoasă

Procesul are loc la o temperatură mai mare de aproximativ 1080 °C. Materialul activ care conține aluminiu nu este în contact direct cu produsul. Nu este nevoie nici de balast termic. Procesul se caracterizează prin difuzie spre exterior. Este necesară și recoacere prin difuzie.

Acoperiri cu plasmă

O tehnologie mai modernă de protecție a lamei este pulverizarea cu plasmă a straturilor de barieră termică . De regulă, un strat de barieră termică constă din mai multe straturi - un substrat, un strat MeCrAlY , un strat ceramic (se folosește adesea oxidul de zirconiu stabilizat cu ytriu ). Pulverizarea cu vid sau cu plasmă atmosferică este certificată pentru diferite motoare, cu toate acestea, toate dezvoltările moderne sunt efectuate pe plasmă atmosferică, deoarece este mai ieftin de operat.

Vezi și

Note

  1. ↑ Nikolaev A. K., Kostin S. A. Manual „Cupru și aliaje de cupru rezistente la căldură” . Dicționar terminologic enciclopedic „Cupru și aliaje de cupru rezistente la căldură”: o carte de referință fundamentală . DPK Press (2012).
  2. ↑ 1 2 Aviație. Enciclopedie. M.: Marea Enciclopedie Rusă, 1994, p. 201
  3. ↑ Luft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275-279
  4. ↑ Pomp A., Krisch A.: Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 and 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
  5. ↑ Raport despre vizita în Germania și Austria pentru a investiga aliajele pentru utilizare la temperatură ridicată. Raportul final BIOS N 396, Londra, 1946
  6. ↑ 1 2 Giamei AF, Pearson DD, Anton DL Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293-307
  7. ↑ Tumanov A. T. , Shalin R. E., Starkov D. P. Aviation materials science. - în cartea: Dezvoltarea științei și tehnologiei aviației în URSS. Eseuri istorice și tehnice. M.: Nauka, 1980, p. 332-334
  8. ↑ Superaliaje II, ed. Sims, Stoloff, Hagel. Traducerea în limba rusă. M., Metalurgie, 1995, vol. 1, p. 29
  9. ↑ http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html Arhivat 8 ianuarie 2017 la Wayback Machine
  10. ↑ 1 2 3 4 Superaliaje . Preluat la 29 august 2007. Arhivat din original la 8 ianuarie 2017.
  11. ↑ Raport privind vizita în Germania și Austria pentru a investiga aliajele pentru utilizare la temperaturi ridicate/ - BIOS Final Report No 396. Londra 1946, p. 13.
  12. ↑ K.A. Iuşcenko, Iu.A. Semerenko, E.D. Tabachnikova, A.V. Podolsky, L.V. Skibina, S.N. Smirnov, V.S. Savcenko. Inconel MA758: Un nou superaliaj nanostructurat. Proprietăți acustice și mecanice în intervalul de temperatură 4,2–310 K,  Metallofiz . cel mai recent tehnol . - 2013. - T. 35 , nr. 2 . - S. 225-231 .

Literatură