Жаропрочные стали и сплавы из высоколегированного металла

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться при высоких температурах деформации и разрушению от воздействия рабочих напряжений

Жаропрочные сплавы способны длительное время сопротивляться ползучести и разрушению. Ползучесть металлов объясняется в настоящее время как суммарный результат многих видов деформации, являющейся следствием относительного перемещения атомов.
 

Академик А. А. Бочвар указывает на возможность свести любой тип пластической деформации к процессам диффузии, определяемым температурой.
Если температуры низки, то под действием напряжений преобладающее значение приобретают виды деформации с ограниченным развитием диффузионных процессов, т
. е. деформации сдвига или двойникования, проходящие по зерну.

По мере повышения температуры преимущественное развитие приобретают виды деформации, связанные с диффузией, особенно легко протекающей в зонах, расположенных по границам зерен.

Поскольку пластической деформации и разрушению способствуют диффузионные процессы, удовлетворительное решение проблемы жаропрочного сплава связано с подавлением (замедлением) в нем диффузии. Ослабление диффузионных процессов ведет к торможению фазовых превращений, стабилизации микроструктуры и, следовательно, к обеспечению наиболее длительного сохранения механических свойств при воздействии высоких температур и напряжений.

При компоновке жаропрочного сплава полезно соблюдать ряд условий:

1. В качестве основы сплава выбирать металл с высокой прочностью межатомной связи и с высокой температурой рекристаллизации.

2. Путем рационального легирования увеличивать прочность межатомной связи и поднимать температуру рекристаллизации сплава.

3. Соблюдая необходимые режимы обработки, придавать сплаву структуру, в наибольшей степени препятствующую протеканию диффузии и способствующую росту сопротивления пластической деформации и разрушению.

О прочности межатомной связи в металле можно косвенно судить по температуре его плавления, так как с ростом межатомного сцепления обычно увеличивается и температура плавления. Температура рекристаллизации также связана прямой зависимостью с температурой плавления. Поэтому в качестве основы для жаропрочных сплавов следует выбирать наиболее тугоплавкие металлы.

Лучшие жаропрочные сплавы на железной, никелевой и кобальтовой основе способны удовлетворительно работать до 100 ºС. С большими ограничениями их можно использовать до 2019 ºС. Если оценить предельную рабочую температуру современных жаропрочных сплавов, то окажется, что она равна примерно 60—75% абсолютной температуры плавления. Возможный рост рабочей температуры ограничивается для этих сплавов несколькими десятками градусов ввиду все большего приближения к температуре плавления и все более значительной потери прочности.

В переводе на шкалу Цельсия такие металлы, как никель, кобальт и железо, имеют близкие температуры начала рекристаллизации, лежащие в пределах 420-450 ºС. В то же время современные жаропрочные сплавы на основе названных металлов имеют порог рекристаллизации около 2019 ºС. Таков эффект легирования, замедляющего диффузионные процессы и тормозящего процесс рекристаллизации. Замедление разупрочнения при высоких температурах, вызываемое легированием, должно обезопасить сплав от чрезмерной ползучести и разрушения. Между тем процесс ползучести и характер разрушения зависят от температуры и условий нагружения. Разрушение, как известно, может носить межкристаллитный и внутрикристаллитный характер. Разрушение металлических материалов при низких температурах и больших скоростях деформации обычно протекает по зерну, а при высоких температурах и малых скоростях деформации — по границе зерна. Это указывает на необходимость упрочнения границ и пограничных зон. При этом задача правильного легирования состоит в том, чтобы упрочнить и тело зерна и его границы, придав им равнопрочность в условиях длительного нагружения при высоких температурах. Теория и практика легирования говорят о том, что возможности для этого имеются.

Различные элементы по-разному легируют тело зерна и пограничные его области. Так, например, вольфрам в никелевых сплавах располагается главным образом внутри зерна, а молибден — по его границе. Поэтому способом воздействия на границы зерен является легирование сплавов примесями (молибден, ниобий, цирконий и др.), способными обогащать пограничные области и границы зерна и упрочнять их. Имеются также поверхностно-активные легирующие примеси (например, бор и др.), располагающиеся в пограничных областях зерна и чрезвычайно эффективно влияющие на упрочнение сплава.

Причиной малой высокотемпературной прочности часто является загрязнение сплава легкоплавкими примесями, склонными скапливаться в пограничных слоях и на границах зерен (кислород, сера, фосфор, водород, сурьма, олово, свинец и др.). Такие поверхностно-активные примеси, как бор, способны, сами скапливаясь в пограничных слоях и на границах зерна, препятствовать скоплению в этих местах вредных примесей. Введение малых («гомеопатических») добавок бора поэтому производит весьма эффективное действие на повышение жаропрочности.

Для легирования жаропрочных сплавов на железной, никелевой и кобальтовой основах могут быть использованы: углерод, кремний, марганец, никель, кобальт, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, азот, бор и некоторые другие элементы. При легировании наилучший эффект повышения жаропрочности достигается введением значительного числа компонентов.

Такое легирование дает усложнение и искажение пространственной решетки и затрудняет протекание диффузионных процессов в твердом растворе.
Легирование создает лишь благоприятную предпосылку для получения жаропрочного сплава. Желаемый эффект упрочнения достигается в результате обработки и получения структуры, в наибольшей мере ограничивающей развитие диффузии и обеспечивающей высокие показатели жаропрочности за счет создания большого количества дислокаций и благоприятного их распределения.

Жаропрочные сплавы имеют структуру, основу которой составляет насыщенный твердый раствор аустенитного типа. Твердые растворы ферритного типа обладают по сравнению с аустенитными худшими показателями жаропрочности. Основа твердого раствора выбирается по характеру и размеру атомов, типу и размеру пространственной решетки. Большинство легирующих элементов, имеющих атомы, близкие по размеру к атомам основы, образуют с нею аустенитный твердый раствор по типу замещения. Легирующие элементы, имеющие атомы малого размера (С, N, В), дают растворы внедрения.

Помимо атомной структуры свойства сплава зависят также от его микроструктуры.
Однако наиболее важным является влияние так называемых упрочняющих фаз, образуемых при взаимодействии легирующих элементов с основой сплава и между собой. Упрочняющее влияние этих фаз зависит от характера взаимодействия их с твердым раствором, от числа фаз, степени их раздробления и характера залегания по зерну или по границе зерна твердого раствора. Независимо от числа и многообразия упрочняющих фаз часто их объединяют общим наименованием «вторая фаза».

Рис. 1. Сравнение предела ползучести жаропрочных сталей на аустенитной (а) и ферритной (б) основе

Наконец, весьма существенным является характер строения границ зерен и пограничных участков. Прочность границ определится бездефектностью строения их, а также наличием упрочняющих фаз.

Для твердого раствора, являющегося основой сплава, упрочняющими фазами служат химические соединения типа карбидов или интерметаллидов, либо твердые растворы с пространственной кристаллической решеткой, отличной от решетки основного твердого раствора.

Для аустенитных жаропрочных сталей важнейшими упрочняющими фазами являются карбиды хрома Сг23С6, Сг7Сз, двойные карбиды типа Fe2Mo2C, Fe2W2C, смешанные карбиды Fe2(W, Мо)2С и др.

Роль упрочняющих фаз в аустенитных сталях могут играть также интерметаллидные фазы: вольфрамиды, молибдениды, ниобиды и т. д.

При нагреве под закалку все названные фазы полностью переходят в твердый раствор. При старении все они выпадают из раствора в большей или меньшей степени в зависимости от температуры и длительности старения.

Никелевые сплавы упрочняются либо интерметаллидными соединениями в чистом виде, либо в сочетании их с карбидными фазами. Примером интерметаллидной упрочняющей фазы в никелевых сплавах может служить так называемая, а – фаза, представляющая собой упорядоченный твердый раствор с гранецентрированной кристаллической решеткой примерного состава (Ni, Cr) и (Al, Ti). Решетка, и фаза когерентно связана с основным твердым раствором, из которого выделяется в процессе старения при термической обработке. Фаза является упрочнителем главным образом для деформируемых никелевых сплавов. Она играет упрочняющую роль и в литых сплавах, однако последние одновременно упрочняются и карбидными фазами в виде простых и двойных карбидов.

Сплавы на кобальтовой основе упрочняются главным образом карбидными фазами.

Для придания деформируемым сплавам наивысших показателей жаропрочности необходимо применять термическую обработку, состоящую из закалки и старения.’

В литых сплавах упрочнение удается получить в процессе самой отливки.

Упрочняющие фазы в жаропрочных сплавах трудно растворимы и требуют высоких температур нагрева и длительных выдержек. Вместе с тем очень высокая температура закалки вызывает значительное укрупнение зерна (рис. 2)

Рис. 2. Микроструктура сплава ХН77ТЮР: а — в состоянии поставки; б —  закалка 2019 ºС; в — закалка 2019 ºС

Для получения оптимальной структуры при закалке никелевые сплавы нагреваются на 1070-1090 °С, аустенитные стали на 1100-1300 °С в зависимости от состава и назначения. Выдержка может достигать нескольких часов в зависимости от типа сплава, назначения изделия, способа нагрева и т. д. Охлаждающие среды также выбираются различные: вода, масло или воздух.

Старение закаленных сплавов проводится при температурах, близких к рабочим. В большом числе случаев жаропрочные сплавы выдерживаются для старения при температуре 700-800 °С в течении 6-16 часов.

Легирующие примеси по их числу и по процентному содержанию в сплаве подбираются с таким расчетом, чтобы в процессе нагрева получить предельно насыщенный многокомпонентный твердый раствор.

После закалки такой твердый раствор окажется пересыщенным и неустойчивым, вследствие чего будет стремиться выделить растворенные упрочняющие фазы. При старении процесс распада протекает в такой степени, что упрочняющие фазы успевают выделиться по телу зерна и по его границам в виде огромного числа тончайших кристаллических образований субмикроскопического размера. Обладая собственной кристаллической решеткой, фазы-упрочнители в указанном состоянии еще не обособляются от основной решетки твердого раствора и находятся с ней в когерентной связи.

Наличие когерентной связи говорит о сильных искажениях в пространственных решетках твердого раствора и выделяющихся фаз, затрудняющих пластическую деформацию при высоких температурах и повышающих жаропрочность. Искаженная пространственная решетка зерна и его границ затрудняет диффузию, способствует длительному сохранению микроструктуры сплава и удлиняет сроки сохранения им стабильной жаропрочности.

Длительное старение при повышенной температуре может привести к выделению видимых в микроскоп частиц второй фазы, что обычно свидетельствует о значительном разупрочнении сплава. На рис. 3 приведены микрофотографии аустенитной жаропрочной стали, подвергнутой длительному старению при относительно высокой температуре 800 °С. Выделившиеся при этом частицы второй фазы не видны при увеличении 100 И хорошо различимы при увеличении 1000.

Упрочнение в литых сплавах связано с самой природой последних. Дендритная ликвация, присущая твердому раствору литого сплава при кристаллизации, приводит к выделению упрочняющих фаз в междендритных зонах уже в процессе охлаждения отливки. При этом частицы упрочняющих фаз, располагаясь по границам зерен, образуют в пространстве конструкцию скелетного типа, пронизывающую всю поликристальную массу твердого раствора. Эта пространственная конструкция принимает на себя нагрузки и, обладая высокой прочностью и стабильностью при высоких температурах, сообщает литому сплаву хорошую жаропрочность. Литые сплавы при высоком пределе длительной прочности обладают обычно малой пластичностью. Гомогенизирующая термическая обработка способна улучшить пластичность литых сплавов.

Рис. 3. Микроструктура хромоникелевой аустенитной стали для дисков турбин после длительного старения при 800°С

Никакой другой обработке (закалка и старение) литые сплавы обычно не подвергаются.

Физические свойства жаропрочных сталей и сплавов характеризуются плотностью, коэффициентом линейного расширения, теплопроводностью и др.

Плотность аустенитных сталей колеблется в пределах 7,8-8,1 г/см3. Плотность аустенитных никелевых сплавов 8,2-8,5 г/см3, кобальтовых сплавов 9,0-9,2 г1см3. Теплопроводность аустенитных сплавов очень мала. Если у А1 коэффициент теплопроводности Х = 0,40 кал/см-сек-град, то у аустенитных сталей = 0,06, а у никелевых сплавов Х = 0,04 кал/см-сек-град, т. е. в 10 раз хуже, чем у алюминия.

Все аустенитные сплавы практически немагнитны.

Материал Применение, другое обозначение (если есть)     03Х18Н10Т Для изготовления сильфонов-компенсаторов; обладает более высокой способностью к глубинной вытяжке, чем сталь марок 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т.     Сталь аустенитного класса
      00Х18Н10Т       05Х18Н10Т для изготовления сильфонов-компенсаторов.     Сталь аустенитного класса
      0Х18Х10Т       06Х16Н15М3Б Для изготовления труб пароперегревателей и паропроводов высокого давления.     Сталь жаропрочная коррозионностойкая аустенитного класса. (Внимание! Сталь 09Х16Н15М3Б также обозначается ЭИ847)
      06Х16Н15М3Б-ИД     ЭИ847-ИД       08Х15Н24В4ТР рабочие и направляющие лопатки, крепежные детали, диски газовых турбин с длительным сроком службы при температурах 650-700 град. ; сталь аустенитного класса
      Х15Н24В4Т     ЭП164       08Х15Н25М3ТЮБ диски, лопатки, крепеж для работы до 700 град.     08Х16Н11М3 листы, поковки, трубы, длительно работающие при температурах до 700 град.     08Х16Н13М2Б поковки для дисков и роторов, лопатки и болты, длительно работающие при температурах до 600 град. ; сталь аустенитного класса

      1Х16Н13М2Б     ЭИ680       08Х16Н9М2 Для изготовления бесшовных холоднодеформированных, теплодеформированных, горячедеформированных, в том числе горячепрессованных, и горячепрессованных редуцированных труб, предназначенных для паровых котлов и трубопроводов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара.     Сталь высоколегированная аустенитная хромоникелевая     08Х20Н14С2 для труб; сталь жаростойкая, устойчива в науглероживающих средах
      0Х20Н14С2     ЭИ732       08Х21Н6М2Т теплообменники, реакторы, трубопроводы, арматура, длительно работающие при температурах до 300 град.; сталь аустенитно — ферритного класса

      0Х21Н6М2Т     ЭП54       09Х14Н16Б турбины пароперегревателей и трубопроводы установок сверхвысокого давления для длительной службы при температурах до 650 град.; сталь аустенитного класса

      ЭИ694       09Х14Н19В2БР паропроводные и пароперегревательные трубы установок сверхвысокого давления с длительным сроком службы при температурах до 700 град.С ; сталь аустенитного класса
      1Х14Н18В2БР     ЭИ695Р       09Х14Н19В2БР1 роторы, диски, лопатки турбин с длительным сроком службы при температурах 650-700 град.; сталь аустенитного класса
      1Х14Н18В2БР1     ЭИ726       09Х16Н15М3Б трубы пароперегревателей и паропроводов высокого давления, длительно работающие при температурах до 350 °С. ; сталь аустенитного класса

.     (Внимание! Сталь 06Х16Н15М3Б-ИД имеет похожее обозначение ЭИ847-ИД)
      Х16Н15М3Б     ЭИ847       09Х16Н16МВ2БР трубы пароперегревателей, паропроводов, коллекторов, длительно работающие при температурах 600-700 град.     10ГН2МФА Для изготовления парогенераторов, компенсаторов давления, коллекторов и другого оборудования АЭС.     10ГН2МФА-Ш Поковки корпусов и фланцев коллекторов теплоносителей для АЭС.
      10ГН2МФА-ВД       10Х11Н20Т2Р детали турбин

      Х12Н20Т2Р     ЭИ696А       10Х11Н20Т3Р турбинные диски, кольцевые детали, крепежные детали, детали компрессора и рабочей части турбины с рабочей температурой до 700 град.; сталь аустенитного класса
      Х12Н20Т3Р     ЭИ696       10Х11Н23Т3МР пружины и детали крепежа с ограниченным сроком работы при при температурах до 700 °С; сталь аустенитного класса
      Х12Н22Т3МР     ЭП33       10Х13Г12БС2Н2Д2 Для изготовления бесшовных холоднодеформированных, теплодеформированных, горячедеформированных, в том числе горячепрессованных, и горячепрессованных редуцированных труб, предназначенных для паровых котлов и трубопроводов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара
(В ТУ 14-3Р-55-2001 данная сталь также именуется 10Х13П2БС2Н2Д2, опечатка?).     Сталь высоколегированная аустенитная хромомарганцевая

      10Х13П2БС2Н2Д2     ДИ59       10Х13СЮ для клапанов автотракторных моторов и т.д.; сталь жаростойкая, устойчива в серосодержащих средах
      1Х12СЮ     ЭИ404       10Х15Н25В3ТЮ диски, лопатки, крепеж для работы до 700 град.     10Х15Н25М3В3ТЮК диски, лопатки, крепеж для работы до 700 град.     10Х18Н18Ю4Д ролики щелевых печей, чехлы термопар, теплообменники и др. детали, длительно работающие при температурах до 2019 град.     10Х23Н18 листовые детали, трубы, арматура (при пониженных нагрузках), работающие при 2019 °С.
      0Х23Н18       10Х25Н25ТР сортовой материал и лист для камер сгорания газовых турбин и других деталей с рабочей температурой до 2019 град.     10Х7МВФБР в энергетическом машиностроении — трубы и детали для длительной работы при температурах 600-620 град.

      ЭП505       11Х11Н2В2МФ нагруженные детали, длительно работающие при температурах до 600 °С.; сталь мартенситного класса

      Х12Н2ВМФ     ЭИ962       12Х12МВФБР трубы для длительной работы при температурах до 630 град С.
      ЭП752       12Х14Н14В2М трубы пароперегревателей, паропроводов и коллекторов для длительной службы при температурах до 550-650 град.     12Х25Н16Г7АР лист, проволока, трубы, лента, детали, работающие до 950 °С при умеренных напряжениях.
      Х25Н16Г7АР     ЭИ835       12Х2МВ8ФБ энергетическое машиностроение (трубы для длительной работы при температурах до 650 град.С)
      ЭП503       12Х8ВФ Трубы печей, аппаратов и коммуникаций нефтезаводов, длительно работающие при температурах до 500 °С
.     Сталь мартенситного класса. Рекомендуемая температура применения до 500 °С ; Температура интенсивного окалинообразования 650 °С ; срок работы — от 2019 до 10000 ч.

      1Х8ВФ       13Х11Н2В2МФ различные детали газовых турбин, длительно работающие при температурах до 600 град.
      1Х12Н2ВМФ     ЭИ961       13Х14Н3В2ФР высоконагруженные детали, длительно работающие при температурах до 550 °С. в условиях повышенной влажности; температура окалинообразования 700 °С. ; сталь мартенситного класса

      Х14НВФР     ЭИ736       15Х11МФ турбинные лопатки, поковки,бандажи и др. детали, длительно работающие при температурах до 560 °С; температура окалинообразования 750 °С.;
сталь мартенситного класса
      1Х11МФ       15Х12ВНМФ лопатки,поковки, крепежные детали турбин для длительного срока службы при температурах до 580 °С; температура окалинообразования 750 °С. ; сталь мартенсито — ферритного класса

      1Х12ВНМФ     ЭИ802       15Х18СЮ трубы пиролизных установок, аппаратура; сталь жаростойкая
      Х18СЮ     ЭИ484       16Х11Н2В2МФ Диски компрессора, лопатки и другие нагруженные детали
.     С 1.01.91 не допускается к применению во вновь создаваемой и модернизируемой технике.
      ЭИ962А     2Х12Н2ВМФ       18Х11МНФБ высоконагруженные детали паровых и газовых турбин, длительно работающие при температурах до 600 °С. ; сталь мартенситного класса

      2Х11МФБН     ЭП291       18Х12ВМБФР лопатки паровых турбин, трубы и крепежные детали для длительного срока службы при температурах до 620 град. ; сталь мартенсито — ферритного класса

      2Х12ВМБФР     ЭИ993       20Х12ВНМФ высоконагруженные детали паровых и газовых турбин, длительно работающие при температурах до 600 °С.; сталь мартенситного класса

      2Х12ВНМФ     ЭП428       20Х12Н2В2МФ диски компрессора, лопатки и и другие нагруженные детали, длительно работающие при температуре до 600 град.     20Х20Н14С2 печные конвейеры, ящики для цементации и другие детали термических печей.
      Х20Н14С2     ЭИ211       20Х23Н13 детали, работающие при высоких температурах в слабонагруженном состоянии. Сталь жаростойкая до 900—1000 °С
      Х23Н13     ЭИ319       20Х23Н18 работающие и направляющие лопатки, поковки и бандажи, работающие при температурах 650-700 град., детали камер сгорания и др. печное оборудование, работающее при температурах 1000-1050 град.
      Х23Н18     ЭИ417       20Х25Н20С2 детали печей, работающие при температуре до 2019 °С в воздушной и углеводородной атмосферах.
      Х25Н20С2     ЭИ283       30Х13Н7С2 для клапанов автомобильных моторов; сталь жаростойкая
      3Х13Н7С2     ЭИ72       31Х19Н9МВБТ поковки, лопатки, крепежные детали, длительно работающие при температурах до 630 град.
      3Х19Н9МВБТ     ЭИ572       36Х18Н25С2 головки форсунок, детали печей, ящики для цементации, длительно работающие при температурах до 2019 град.
      4Х18Н25С2       37Х12Н8Г8МФБ диски, крепежные и другие детали, работающие с ограниченным сроком службы при 600—650 °С.; сталь аустенитного класса
      4Х12Н8Г8МФБ     ЭИ481       40Х10С2М клапаны авиадвигателей, автомобильных и тракторных дизельных двигателей, крепежные детали двигателей. Сталь обладает высокими механическими свойствами до 600 °С, однако при длительных выдержках при 500 °С и особенно при 600 °С ударная вязкость резко снижается до 150 кДж/м2.; сталь мартенситного класса

      4Х10С2М     ЭИ107       40Х15Н7Г7Ф2МС лопатки газовых турбин, крепежные детали, работающие при температуре 650 град.С ограниченное время; сталь аустенитного класса
      ЭИ388     4Х15Н7Г7Ф2МС       40Х9С2 клапаны впуска и выпуска двигателей, трубки рекуператоров, теплообменники, колосники, крепежные детали; сталь жаростойкая, мартенситного класса

      4Х9С2       45Х14Н14В2М клапаны моторов, поковки, детали трубопроводов, длительно работающие при температурах до 650 °С.; сталь аустенитного класса     45Х14НМВ2М детали арматуры, поковки, крепеж для длительной работы при температурах до 600 град.С и ограниченного срока службы при 650 град.С
      4Х14Н14В2М     ЭИ69       45Х22Н4М3 клапаны моторов
      4Х22Н4М3     ЭП48       55Х20Г9АН4 Клапаны автомобильных моторов.     Сталь жаростойкая и жаропрочная аустенитного класса.
      5Х20Н4АГ9     ЭП303       55Х20Г9АН4Б Клапаны автомобильных моторов
.     Сталь жаростойкая и жаропрочная аустенитного класса.
      ЭП303Б