Жаростойкие и жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы и стали - материалы, работающие при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложно-напряженного состояния и обладающие достаточным сопротивлением к коррозии в газовых средах.

Жаростойкие сплавы и стали - материалы, работающие в ненагруженном или слабо-нагруженном состоянии при повышенных температурах (более 550 °C) и обладающие стойкостью к коррозии в газовых средах.

Активный интерес к подобным материалам стал проявляться в конце 30-х годов XX века, когда появилась необходимость в материалах способных работать при достаточно высоких температурах. Это связано с развитием реактивной авиации и газотурбинных двигателей.

Основой жаростойких и жаропрочных сплавов могут быть никель, кобальт, титан, железо, медь, алюминий. Наиболее широкое распространение получили никелевые сплавы. Они могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее распространенными среди жаропрочных являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050-1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках.

Поскольку речь идет о жаростойких и жаропрочных сталях и сплавах, то стоит дать определение терминам жаропрочность, жаростойкость.

Термины и определения

Жаропрочность - способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени. При температурах до 600°С обычно применяют термин теплоустойчивость. Можно дать более строгое определение жаропрочности.

Под жаропрочностью также понимают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое способен выдержать металлический материал в конструкции при определенной температуре за заданный отрезок времени. Если учитываются время и напряжение, то характеристика называется пределом длительной прочности; если время, напряжение и деформация - пределом ползучести.

Ползучесть - явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения. Длительная прочность - сопротивление материала разрушению при длительном воздействии температуры.

Жаростойкость характеризует сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах.

Классификация

Можно выделить несколько классификаций сплавов и сталей, которые работают при повышенных и высоких температурах.

Наиболее общей является следующая классификация жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов:

• Теплоустойчивые стали - работают в нагруженном состоянии при температурах до 600°С в течение длительного времени. Примером являются углеродистые, низколегированные и хромистые стали ферритного класса.
• Жаропрочные стали и сплавы - работают в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладают при этом достаточной жаростойкостью. Примерами являются стали аустенитного класса на хромоникелевой или хромоникельмарганцевой основах с различными легирующими элементами и сплавы на никелевой или кобальтовой основе.
• Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы - работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550°С и обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах. В качестве примера можно привести хромокремнистые стали мартенситного класса, хромоникелевые аустенитные стали, хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса, а также сплавы на основе хрома и никеля.

Также существует классификация по способу производства:

• литейные;
• деформируемые.

Для жаропрочных сплавов и сталей основным полезным свойством с практической точки зрения является способность материала выдерживать механические нагрузки в условиях высоких температур. Существуют различные схемы нагружения жаропрочных материалов: статические растягивающие, изгибающие или скручивающие нагрузки, термические нагрузки вследствие изменений температуры, динамические переменные нагрузки различной частоты и амплитуды, динамическое воздействие скоростных газовых потоков на поверхность. При этом указанные материалы должны выдерживать соответствующий тип нагружения.

Основным практически полезными свойствами жаростойких сталей и сплавов является коррозионная стойкость материала в газовых средах при высоких температурах.

В то же время, с точки зрения производства готовых изделий важную роль играют технологические свойства. При создании деформируемых сплавов необходимо обеспечить достаточную технологическую пластичность при обработке давлением, в том числе при температурах 700-800 °С, а литые сплавы должны иметь удовлетворительные литейные свойства (жидкотекучесть, пористость).

Жаропрочные стали и сплавы на никелевой основе

В настоящее время сплавы на никелевой основе имеют наибольшее значение в качестве жаропрочных материалов, предназначенных для работы при температурах от 700 до 1100°С.

Сплав ХН77ТЮР (ЭИ437Б и ЭИ437БУВД)
Химический состав по ГОСТ 5632-72, ТУ 14-1-402-72, % (по массе):

• сплава ЭИ437Б - 19-22 Cr; 2,4-2,8 Ti; 0,6-1,0 Al; <= 4,0 Fe; <= 0,4 Mn; <= 0,6 Si; <= 0,07 С; <= 0,01 В; <= 0,02 Се; <= 0,007S; <= 0,015 P; остальное никель;
• сплава ЭИ437БУ - 19-22 Cr; 2,5-2,9 Ti; 0,6-1,0 Al; <= 0,4 Mn; <= 0,6 Si; <= 0,07 C;<= 0,01 B; <= 0,02Ce; <= 0,007 S; <= 0,015P; остальное никель.

Технологические данные:

• сплав изготавливается в открытых дуговых или индукционных печах с применением вакуумного дугового переплава;
• температура деформации - начало 1180 °С, ко­нец не ниже 900 °С, охлаждение после деформации иа воздухе;
• рекомендуемые режимы термической обработки: ХН77ТЮР (ЭИ437Б) - нагрев до 1080 °С, выдержка 8 ч, охлаждение на воз­духе;
старение при 700 или 750 °С, выдержка 16 ч, охлаждение иа воздухе; ХН77ТЮР (ЭИ437БУ) - нагрев до 1080 °С, выдержка 8 ч, охлаждение на воздухе; старение при 750 или 775 °С, выдержка 16 ч, охлаждение на воздухе.

Сплав ХН70ВМТЮ (ЭИ617)
Химический состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 13-16 Cr; 2-4 Мо; 5-7 W; 0,1-0,5 V; 1,8-2,3 Ti; 1,7-2,3 Al; <= 5 Fe; <= 0,5Mn; <= 0,6 Si; <= 0,12 С; <= 0,02 В; <= 0,02 Се; <= 0,015 S; <= 0,015 P>; остальное никель.

Технологические данные:

• сплав изготавливается в дуговых и индукционных электропечах и с применением вакуумного дугового переплава;
• температура деформации - начало 1160, конец выше 1000 °С, охлаждение после деформации иа воздухе;
• рекомендуемые режимы термической обработки: нагрев до 1190±10 °С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 1050 °С, выдержка 4 ч, охлаждение на воздухе; старение при 800 °С в течение 16 ч, охлаждение на воздухе;
• нагрев до 1180 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе; нагрев до 1000 °С, охлаждение с печью до 900 °С, выдержка 8 ч, охлаждение на воздухе; старение при 850 °С в течение 15 ч, охлаждение на воздухе.

Жаростойкие стали и сплавы на основе никеля и железа

Основными жаростойкими материалами, которые используют в газовых турбинах, печах и различного рода высокотемпературных установках с рабочей температурой до 1350 °С, являются сплавы на основе железа и никеля. Высокое сопротивление окислению сталей и сплавов связано в первую очередь с большим количеством хрома, входящего в состав сплавов. Например, максимальное содержание хрома (по массе) в количестве 26-29 % имеет сплав на основе никеля ХН70Ю.

Сплав ХН70Ю (ЭИ652)
Химический состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 26-29 Cr; 2,8-3,5 Al; <= 0,З Mn; <= 0,8 Si; <= 0,12 С; <= 0,1 Ва; <= 0,03 Се; <= 0,012 S; <= 0,015 Р; остальное никель.

Технологические данные:

• сплав выплавляется в открытых дуговых или индукционных электропечах;
• температура деформации - начало 1180, конец выше 900 °С, охлаждение после деформации на воздухе;
• рекомендуемый режим термической обработки - нагрев до 1100-1200 °С, выдержка 10 мин, охлаждение на воздухе;
• сварка сплава в тонких сечениях может производиться всеми видами сварки;
• сплав обладает способностью к глубокой вытяжке, предельный коэффициент вытяжки K = D / (d + s) = 2,17, где D - диаметр заготовки; d - диаметр пуансона; s - толщина стенки в мм.

Сплав ХН78Т (ЭИ435)
Химический состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 19-22 Cr; <= 6 Fе; 0,15-0,35 Ti; <= 0,7 Mn; <= 0,8 Si; <= 0,12 С; <= 0,012 S; <= 0,015 Р; остальное никель.

Технологические данные:

• сплав выплавляется в открытых дуговых или индукционных электропечах;
• температура деформации - начало 1160, конец не ниже 950 °С, охлаждение после деформации на воздухе;
• рекомендуемый режим термической обработки - нагрев до 980-1020 °С, охлаждение на воздухе или в воде;
• сварка сплава может производиться всеми видами сварки;
• сплав обладает способностью к глубокой вытяжке при штамповке.

Сплав ХН60ВТ (ЭИ868)
Химический состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 23,5-26,5 Cr; 13-16 W; <= 4 Fе; 0,3-0,7 Ti; <= 0,5 Mn; <= 0,8 Si; <= 0,5 Al; <= 0,1 С; <= 0,013 S; <= 0,013 Р; остальное никель.

Технологические данные:

• сплав выплавляется в открытых дуговых или индукционных электропечах;
• температура деформации - начало 1180, конец не ниже 1050 °С, охлаждение после деформации на воздухе;
• рекомендуемый режим термической обработки - нагрев до 1150-1200 °С, выдержка листа 10 минут, прутков 2-2,5 часов, охлаждение на воздухе;
• сварка сплава может производиться всеми видами сварки;
• сплав обладает способностью к глубокой вытяжке, предельный коэффициент вытяжки составляет 2,06.

Сплавы ХН65МВ (ЭП567), ХН65МВУ (ЭП760) (хастеллой)
Химический состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 14,5-16,5 Cr; 15-17 Mo; 3-4,5 W; <= 1 Fе; <= 1 Mn; <= 0,15 Si; <= 0,03 С; <= 0,012 S; <= 0,015 Р; 59,8-67,5 Ni.

Полуфабрикаты из указанных сплавов подвергаются термической обработке, которая заключается в закалке при температуре 1050-1090 °С и последующем охлаждении в воде.

Применяются для сварки конструкций, работающих при повышенных температурах в достаточно агрессивных средах (серная, уксусная кислота, хлориды и др.).

Высоколегированные стали

Сталь СВ-06Х15Н60М15 (ЭП367)
Химический состав по ГОСТ 2246-70, % (по массе): 14-16 Cr; 14-16 Mo; <= 4 Fе; 1-2 Mn; <= 0,5 Si; <= 0,5 Al; <= 0,08 С; <= 0,015 S; <= 0,015 Р; остальное никель.

Указанная сталь не относится к категории жаропрочных или жаростойких, но используется для сварки конструкций из таких сплавов. Она применяется для сварки деталей из сплавов на никелевой основе, например, ХН78Т, ХН70ВМЮТ и подобных, а также для сварки разнородных металлов, например, хромистых сталей со сплавами на никелевой основе. Помимо сварки может осуществляться наплавка.

Достоинства:
• обладают высокой жаропрочностью;
• имеют хорошие показатели жаростойкости.

Недостатки:
• сплавы с содержанием хрома и особенно никеля имеет высокую стоимость;
• имея в своем составе большое количество различных компонентов, достаточно трудоемки в производстве.

Указанные материалы применяются при изготовлении деталей ракетно-космической техники, в газовых турбинах двигателей самолетов, кораблей, энергетических установок, в нефтехимическом оборудовании. К таким деталям можно отнести рабочие лопатки, турбинные диски, кольца и другие элементы газовых турбин, а также камеры сгорания, узлы деталей печей и прочих изделий, длительно работающих при повышенных температурах. Диапазон рабочих температур, как правило, составляет 500-1350 °С. Полуфабрикаты из некоторых сплавов используются в качестве присадочного материала при сварке.

Выпускаются различные полуфабрикаты из жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов. Стоит отметить жаропрочные прутки и круги, проволоку и нить, жаропрочные листы и полосы, ленту, а также трубы. Перечисленные полуфабрикаты находят применение в областях промышленности, в которых предъявляются высокие требования к жаропрочности и жаростойкости изделий.