Эффективное развитие высокотехнологичных отраслей промышленности неразрывно связано с применением жаростойких сплавов специального назначения. Из них изготавливают ответственные элементы различных конструкций, оснастку и компоненты машин и оборудования, удовлетворяющие требованиям стойкости к деформации и прочности при эксплуатации под влиянием агрессивных жидких и газовых сред, в условиях высоких нагрузок и температур. Потребителями продукции из жаропрочных сплавов являются авиационная и аэрокосмическая отрасли, машиностроение, атомная, пищевая, нефтехимическая промышленность и т.д.
Высоколегированные и прецизионные жаропрочные сплавы
Жаропрочные сплавы бывают высоколегированными и прецизионными. Оба типа создаются путем легирования – добавлением в состав базового материала одного или нескольких дополнительных химических элементов для улучшения его физических (или химических) свойств. Высоколегированными называют сплавы, в которых сумма легирующих элементов превышает 10% от объема основы, при этом небольшие отклонения в концентрации примесей в расчет не принимаются. Прецизионные сплавы отличаются точным соотношением химических компонентов и отсутствием примесей.
Литейные и деформируемые жаропрочные сплавы (особенности, применение, марки)
Наибольшее распространение в высокотехнологичных отраслях промышленности получили литейные и деформируемые жаропрочные сплавы на основе никеля, который плавится при температуре 1455°С. Варьирование композиций и изменение доли легирующих компонентов позволяет на никелевой основе создавать разнообразные сплавы, длительное время сохраняющие высокие жаропрочные и механические характеристики в интервале температур 800-1050°C. В особых случаях такие сплавы производят на основе тугоплавких металлов, что делает их пригодными для эксплуатации при температурах до 2500-3000°C. Все жаропрочные сплавы разделяют на литейные, деформируемые и порошковые.
Литейные жаропрочные сплавы
Литейными называют сплавы с хорошей жидкотекучестью, из которых можно изготавливать качественные отливки сложной конфигурации. В качестве легирующих элементов в литейных жаропрочных сплавах применяются кремний (Si), алюминий (Al), титан (Ti), хром (Cr), вольфрам (W), кобальт (Co), ниобий (Nb), молибден (Mo), цирконий (Zr) и другие химические элементы. В сравнении с деформируемыми сплавами, литейные сплавы более технологичны, имеют более высокие значения длительной прочности, а их жаропрочность на 100-200°C выше. Изделия из этих сплавов могут работать при температурах до 1000-1100°C.
Особые требования к выносливости литейных сплавов
С целью повышения жаропрочности и длительной прочности в составе литейных сплавов увеличивают долю тугоплавких легирующих металлов с температурой плавления более 1800°C, например, таких, как вольфрам. В некоторые сплавы добавляют бор. Выносливость сплава является очень важным параметром, поскольку литейные жаропрочные сплавы применяют для отливки турбинных лопаток высоконагруженных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), а чем большую температуру способна выдерживать лопатка турбины, тем больше мощность двигателя и выше надежность воздушного судна.
Марки и применение
Из литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, где одним из ключевых легирующих компонентов выступает вольфрам, главным образом производят металлопродукцию в виде прутков и чушек. Такая форма заготовок удобна для их последующей переплавки в высоко-термических плавильных тиглях и изготовления различных фасонных деталей. В качестве примера можно назвать сплавы марок: ЖС16 (Ni 58,9-65,5%, W 15,3-16,5%), ВЖЛ12У (Ni 53,8-63,5%, W 1-1,8%), ЖС6К (Ni 60,1-68,4%, Cr 9,5-12%, W 3,5-4,5%), ЖС6У, ЖС6Ф и ЖС3О (W 9,5-12%).
В современном авиационном и энергетическом машиностроении перечисленные сплавы используются для изготовления рабочих и направляющих лопаток авиационных турбин и энергосиловых установок, а также секционных лопаток соплового аппарата. Широкое применение в перечисленных сферах получил литейный сплав марки ХН55ВМТФКЮ. В его состав входит 55% никеля (Ni) – основа, 12-16% кобальта (Со), 9-12% хрома (Cr), 4,5-6,5 вольфрама (W), 4-6% молибдена (Мо), 3-5% алюминия (Al), 1,5-2% титана (Ti) и ряд других примесей.
Рисунок 1. Турбина авиационного двигателя.
Деформируемые жаропрочные сплавы
Деформируемыми называют сплавы, из которых можно изготавливать детали путем пластической деформации. Деформируемые жаропрочные сплавы схожи по своему составу с литейными сплавами, но содержат меньше алюминия и титана, что обусловлено требованием иметь высокую пластичность. Благодаря этому деформируемые сплавы обладают высокой ударной вязкостью, т.е. способны эффективно поглощать механическую энергию под воздействием ударных нагрузок. Металлопродукция из этого типа сплавов выпускается в виде проволоки, прутков, металлического листа, жаропрочных труб, изделия из которых способны работать при температурах до 800°C.
Марки и применение
Говоря о деформируемых жаропрочных сплавах, прежде всего, следует назвать сплав марки ХН77ТЮР. В его состав входит до 77% никеля (Ni) – основа, до 22% хрома (Cr), 1% алюминия (Al), 1,5-2,8% титана (Ti), кремний (Si), марганец (Mn), незначительное количество бора (B) – 0,02% и 0,06% углерода (С), плюс ряд примесей. Это типичный деформируемый сплав, из листового проката которого производят диски, кольца, лопатки, другие детали для турбин, работающих при температуре 650-700°С и выше.
Из проволоки (прутка) сплава ХН77ТЮР диаметром 0,5-10 мм делают винтовые цилиндрические пружины сжатия и растяжения с пределом прочности 1220-1370 МПа для высокотехнологичного оборудования, работающего в инертных средах, водяном паре, морской воде и т.п. Из трубчатых заготовок изготавливают детали горячего тракта и жаровые трубы все для тех же ГТД (газо-турбинных двигателей). Аналогичную сферу применения имеют сплавы ХН70Ю, XH60ВТ, XH65BМTЮ, XH55ВМТКЮ, ХН78Т.
Порошковые жаропрочные сплавы (особенности, применение, марки)
Порошковыми называют сплавы, изготовленные методом порошковой металлургии. Классическая технология порошковой металлургии представляет собой последовательность нескольких операций. На первом этапе производится смешение подготовленных порошков (микрогранул) исходных материалов (чистых металлов, неметаллов, сплавов) и легирующих элементов в определенной пропорции, на втором - помещение смеси в пресс-формы необходимой конфигурации, а на третьем этапе производится формование детали (прессованием, прокаткой, продавливанием и т.д.) и ее термическая обработка – спекание.
Данная технология позволяет с высокой точностью формировать внутреннюю структуру сплава с определенным расположением зерен (гранул) порошка, задавая изделию конкретные необходимые свойства, что часто невозможно сделать при литье из-за особенностей процесса затвердевания расплава. Благодаря этому некоторые порошковые сплавы, по чистоте химического состава, жаропрочности и стойкости к напряжению, превосходят сплавы, созданные традиционным литьевым методом, что очень важно для современной высокотехнологичной техники и оборудования.
Марки и применение
Наибольшее распространение в высокотехнологичных отраслях промышленности, главным образом в производстве современной авиационно-космической техники, получили жаропрочные порошковые сплавы на основе никеля, алюминия, титана и некоторых других цветных металлов. Из порошковых сплавов изготавливают турбинные диски, валы компрессоров, подшипники скольжения, втулки, фильтры и целый ряд других ответственных деталей, работающих в условиях высоких температур и в агрессивных газовых средах.
В числе востребованных жаропрочных порошковых материалов можно выделить алюминиевый спеченный сплав САП1 (аналоги САП2, САП3, САП4), выпускаемый в виде профиля и листов, из которых производят корпуса для аппаратуры и различные конструкции, работающие при температурах до 350°C. Никелевый порошковый сплав ЭП741НП (ХН51КВМТЮБ) используют для изготовления дисков турбин и компрессорных валов. Для аналогичных целей применяют похожий сплав марки ЭИ698П (ХН71МТЮБ), который способен длительно работать при температурах 550-700°C. Из титановых порошковых сплавов ВТЗ-1 и ВТ-8 прессуют и штампуют диски компрессоров для ГТД.
Другие сферы применения жаростойких сплавов
Помимо авиационной и космической отраслей, высоколегированные жаропрочные сплавы применяются во многих других сферах, где присутствуют высокие технологии. Например, хромистый сплав 15Х11МФ, выпускаемый в виде прутка, используется для производства лопаток турбин энергоблоков АЭС большой мощности. Из горячекатаных шестигранных, круглых и квадратных прутков, а также ленты сплава 40Х9С2, делают клапаны впуска и выпуска двигателей внутреннего сгорания, диски, крыльчатки, трубки рекуператоров, теплообменники, колосники, крепеж.
Из жаропрочных сплавов изготавливают десятки типов вращающихся дисков и валов для силовых агрегатов оборудования, предназначенного для нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической промышленности, для двигателей морских судов и самолетов. Из них делают жаровые трубы, камеры сгорания высокотемпературных печей и многое другое. Между тем, разработка новых жаропрочных сплавов с повышенными прочностными характеристиками ведется непрерывно, что обусловлено необходимостью еще большего повышения эффективности функционирования высокотехнологичной техники.
