Värmebeständiga legeringar

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 31 januari 2016; kontroller kräver 26 redigeringar .

Värmebeständiga legeringar  är metalliska material med hög motståndskraft mot plastisk deformation och förstörelse under inverkan av höga temperaturer och oxiderande miljöer. Början av systematiska studier av värmebeständiga legeringar faller i slutet av 1930-talet - perioden för ett nytt steg i utvecklingen av flyget i samband med tillkomsten av jetflygplan och gasturbinmotorer (GTE).

Värmebeständiga legeringar kan vara på basis av aluminium, titan, järn, koppar [1] , kobolt och nickel. De mest använda i flygplansmotorer är värmebeständiga nickellegeringar, av vilka arbets- och munstycksblad , turbinrotorskivor, förbränningskammardelar etc. tillverkas. Beroende på tillverkningsteknik kan nickelvärmebeständiga legeringar gjutas, deformerbara och pulver. De mest värmebeständiga är nickelbaserade komplexa legeringar som kan arbeta upp till temperaturer på 1050–1100 °C i hundratals och tusentals timmar vid höga statiska och dynamiska belastningar [2] .

Historik

De första värmebeständiga stålen för gasturbinmotorer utvecklades i Tyskland av Krupp 1936-1938. Höglegerat austenitiskt stål Tinidur skapades som material för turbinblad vid temperaturer på 600–700 °C. Tinidur är ett austenitiskt stål med fällningshärdning (Ni 3 Ti) och karbidhärdning . Åren 1943-1944 var den årliga produktionen av Tinidur 1850 ton. Institutet Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) och Heraeus Vacuumschmelze har utvecklat austenitiska stål (legeringar i engelsk terminologi) DVL42 och DVL52 för högre driftstemperaturer på 750–800 °C. Stålsammansättningarna anges i tabellen.

Kemiska sammansättningar av tyska austenitiska värmebeständiga stål för gasturbinmotorer [3] [4] [5]
namn %C %Mn %Si %Ni %Co %Cr %Mo %W %Ti %Al % andra
föremål
Tinidur upp till 0,14 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14.5-15.5 1,8-2,2 0,2 Fe
bas
DVL42 upp till 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1,5-2,0 Fe
bas
DVL52 upp till 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

I Tyskland på 1940-talet fanns det en önskan bland utvecklarna av gasturbinmotorer för flygplan att öka temperaturen på gasen framför turbinen till 900 ° C. För detta ändamål experimenterade DVL-institutet tillsammans med ett antal företag med austenitiska komplexlegerade legeringar. Under kriget erkändes omöjligheten av en sådan lösning på grund av den akuta bristen på legeringselement i Tyskland. Som ett resultat av forskningen antogs två riktningar: 1. Skapandet av ihåliga luftkylda blad (bearbetning och munstycke) med en motsvarande minskning av legeringen av de använda materialen; 2. studie av keramiska materials möjligheter. Båda arbetsområdena var banbrytande och betydande resultat erhölls för vart och ett av dem.

Den första serien av jetmotorn Jumo-004A tillverkades sedan 1942 med monolitiska arbets- och munstycksblad gjorda av Krupps Tinidur-material. Senare ersattes de av ihåliga kylda blad tillverkade av samma material, vilket gjorde det möjligt att höja gastemperaturen framför turbinen till 850 °C (Jumo-004E-serien). Sedan 1944 har seriemodifieringar av Jumo-004B-motorn använt ihåliga kylda rotorblad gjorda av mindre sällsynt Cromadur- stål .

År 1942 skapades den värmebeständiga legeringen Nimonic-80, den första i en serie av högtemperatur nickel-krom-baserade utfällningshärdande legeringar, i Storbritannien. Skaparen av legeringen är William Griffiths .  Griffith W.T. Grunden för Nimonic-80-legeringen är nikrom (80% Ni - 20% Cr), känd sedan början av 1900-talet för sin höga värmebeständighet och höga elektriska motstånd . De viktigaste legeringselementen i Nimonic-80-legeringen var titan (2,5 %) och aluminium (1,2 %), som utgör förstärkningsfasen. Mängden gamma-prime-förstärkningsfas i legeringen var 25–35 vol% [6] . Nimonic-80 användes i ett deformerat tillstånd för att tillverka turbinblad för en av de första Rolls-Royce Nin gasturbinmotorerna , som började testas i bänk i oktober 1944 . Turbinblad gjorda av nimonic-80-legering hade hög långtidshållfasthet vid temperaturer på 750–850°C.

I Sovjetunionen är analoger till Nimonic-80-legeringen nickelvärmebeständiga legeringar EI437, EI437A (KhN77TYu) och EI437B (KhN77TYuR), som brådskande skapades 1948 av anställda vid VIAM , TsNIICermet och Elektrohimush- fabriken med [ F. Khimush-anläggningen med [ F. Khimush ] 7] .

Grunden för värmebeständiga legeringar är som regel element i grupp VIII i det periodiska systemet . Fram till 1940-talet var grunden för värmebeständiga legeringar järn eller nickel . En betydande mängd krom tillsattes för att öka korrosionsbeständigheten . Tillsatser av aluminium , titan eller niob ökade krypmotståndet . I vissa fall bildades spröda faser, såsom till exempel M23C6 - karbider . I slutet av 1940-talet upphörde användningen av järn som bas för värmebeständiga legeringar, och legeringar baserade på nickel och kobolt började föredras . Detta gjorde det möjligt att få en starkare och mer stabil ansiktscentrerad matris .

I slutet av 1940-talet upptäcktes möjligheten till ytterligare härdning av värmebeständiga legeringar genom legering med molybden . Senare började tillsatser av grundämnen som volfram , niob , tantal , rhenium och hafnium användas för samma ändamål . (Se tantal-hafniumkarbid , även om hafnium inte bildar sådana karbider i värmebeständiga legeringar, men ökar hållfastheten och formbarheten "mekaniskt", vilket gör att korngränserna vrids, den så kallade "hafniumeffekten." Dessutom deltar den i bildandet av ytterligare kvantiteter fas gamma prime [8] ).

Nickelbaserade legeringar

På 1950 -talet utvecklade Pratt & Whitney och General Electric legeringarna Waspaloy och M-252 , legerade med molybden och avsedda för flygmotorblad. Sedan utvecklades legeringar som Hastelloy alloy X, Rene 41 , Inconel , inklusive Inco 718 , Incoloy 901 , etc.

Enligt expertuppskattningar, under perioden 1950-1980-talet, förändrades den kemiska sammansättningen av värmebeständiga nickellegeringar mest avsevärt på grund av införandet av aluminium och element som ersatte det i '-fasen. Detta ledde till en ökning av volymandelen av 'fasen från 25-35 vol.% i Nimonic 80 och U-700 legeringar till 65-70 vol.% i moderna bladmaterial [6] .

Legering

Nickelbaserade värmebeständiga legeringar har som regel en komplex kemisk sammansättning. Den innehåller 12 - 13 komponenter, noggrant balanserade för att erhålla de egenskaper som krävs. Även innehållet av föroreningar som kisel (Si), fosfor (P), svavel (S), syre (O) och kväve (N) kontrolleras. Innehållet av sådana grundämnen som selen (Se), tellur (Te), bly (Pb) och vismut (Bi) bör vara försumbart, vilket säkerställs genom valet av laddningsmaterial med låg halt av dessa grundämnen, eftersom det inte är möjligt att bli av med dem under smältning möjligt. Dessa legeringar innehåller vanligtvis 10-12% krom (Cr), upp till 8% aluminium (Al) och titan (Ti), 5-10% kobolt (Co), samt små mängder bor (B), zirkonium (Zr ) (C) och kol (C). Molybden (Mo), volfram (W), niob (Nb), tantal (Ta) och hafnium (Hf) tillsätts ibland .

Legeringselementen i dessa legeringar kan grupperas enligt följande:

  1. Element som bildar med Ni en austenitisk matris med ett ansiktscentrerat kristallgitter - Co, Fe, Cr, Mo och W
  2. De element som bildar förstärkningsfasen (Ni 3 X) är Al, Ti, Nb, Ta, Hf. I det här fallet är Ti, Nb och Ta en del av fasen och förstärker den.
  3. Element som bildar korngränssegregationer - B, C och Zr

Karbidbildande element inkluderar Cr, Mo, W, Nb, Ta och Ti. Al och Cr bildar oxidfilmer som skyddar produkter från korrosion.

Typisk kemisk sammansättning av bearbetade nickelbaserade värmebeständiga legeringar [9]
Legering %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % andra
föremål
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
Astroloj 55,1 15,0 17,0 5.2 4.0 3.5 - 0,06 0,03 -
René 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 - -
Typisk kemisk sammansättning av nickelbaserade gjutna värmebeständiga legeringar [10]
Legering %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % andra
föremål
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 viktprocent
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 % vikt
René 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 viktprocent

Fassammansättning

Huvudfaserna av värmebeständiga legeringar inkluderar:

  1. Gammafasen ( ) är fcc-matrisen. kristallgitter. Den fasta lösningen av denna fas innehåller en stor mängd Co, Cr, Mo, W
  2. Gamma-prime ( ')-fasen bildar partiklar av en fällning , som också har en fcc. kristallgitter. Denna fas inkluderar element som Al och Ti. Volymfraktionen av denna fas, koherenta austenitiska matris är ganska stor
  3. Karbider. Kolhalten i legeringarna är relativt låg (0,05-0,2%). Den kombineras med karbidbildande element - Ti, Ta, Hf
  4. Korn -gräns '-fas. Denna fas bildas i form av en film längs korngränserna vid värmebehandling .
  5. Borider Utmärks längs korngränserna i form av sällsynta partiklar
  6. Faser etc. kl. (topologiskt tätt packade faser) har en lamellär morfologi . Exempel: faser och Laves fas . Dessa faser leder till försprödning av materialet och är oönskade.

Värmebehandling

Smidesnickel-superlegeringar innehåller dispergerade fällningar av karbider av MC-typ i matrisen. Homogeniseringsglödgning gör det möjligt att förbereda matrisen för att erhålla en jämn fördelning av partiklar från härdningsfasen under efterföljande åldring . Till exempel, för Inco 718- legering, kommer homogeniseringsglödgning att pågå i 1 timme vid 768°C, och åldring utförs i två steg: 8 timmar vid 718°C och 8 timmar vid 621°C. Efter homogeniseringsglödgning är det viktigt att bibehålla kylningshastigheten för att förhindra utfällning av oönskade faser. Kylning mellan åldringsstadierna utförs smidigt i 2 timmar.

Värmebeständighet

En av faktorerna som avgör värmebeständigheten är hög krypmotstånd . Värmebeständigheten hos legeringar uppskattas av gränserna för långtidshållfasthet eller krypning vid höga temperaturer, och är först och främst förknippad med deras struktur och sammansättning. Till sin struktur bör värmebeständiga legeringar vara flerfasiga med starka korn- och fasgränser [2] . I värmebeständiga nickellegeringar säkerställs detta genom flerkomponentlegering. I detta fall är högtemperaturhållfastheten hos legeringar ju högre, desto större volymfraktion av förstärkningsfaser och desto högre deras termiska stabilitet, det vill säga motstånd mot upplösning och koagulering med ökande temperatur.

Hållbarhet

Nickel värmebeständiga legeringar används vid temperaturer på 760-980 °C. Gjutna superlegeringar har hög långtidshållfasthet vid högre temperaturer. Till exempel har legeringen MAR-M246 en långtidshållfasthet på 124 MPa efter 1000 timmar vid 982°C.

Värmebeständiga nickel-järnlegeringar används vid temperaturer på 650-815 °C. Deras långsiktiga styrka är mycket lägre.

Långtidshållfasthet hos värmebeständiga legeringar vid tre temperaturer, MPa [10]
Legering 650 °C
100 timmar 		650°C
1000 timmar 		815°C
100 timmar 		815°C
1000 timmar 		982 °C
100 timmar 		982 °C
1000 timmar
Inconel X-750 552 469 179 110 24
Udimet 700 703 400 296 117 55
Astroloj 772 407 290 103 55
IN-100 503 379 172 103
MAR-M246 565 448 186 124

Monokristallina superlegeringar

1970-1980 började användningen av gjutna värmebeständiga legeringar erhållna genom metoder för riktad kristallisation och nickelbaserade enkristalllegeringar . Användningen av dessa material (nickelbaserade) gjorde det möjligt att öka styrkan och den termiska hållbarheten hos gasturbinbladen.

Den kemiska sammansättningen av värmebeständiga legeringar
erhållna genom metoder för riktad kristallisation [10]
Legering %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
Kemisk sammansättning av värmebeständiga enkristalllegeringar [10]
Legering %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 % åter) 		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 -


Redan den tidiga erfarenheten av att driva bladen på Jumo-004 gasturbinmotorer visade (forskning av K. Gebhardt, Krupp, Essen) att i praktiken bestäms bladens livslängd av utmattningshållfasthet, och det överväldigande antalet bladfel är trötthet [11] .

Legeringar baserade på kobolt

Redan i början av 1900-talet fick Haynes-företaget patent  på legeringar av Co-Cr och Co-Cr-W-systemet Dessa legeringar, kallade " stelliter ", användes först för tillverkning av skärande verktyg. och slitstarka delar. På 1930-talet utvecklades gjuteriet Co-Cr-Mo legering för tandproteser Vitallium . En liknande sammansättning av HS-21-legering började användas ett decennium senare i turbovärmare och gasturbiner. Samtidigt började de använda en legering av Co-Ni-Cr-systemet för ledskenor på gasturbinmotorer. 1943  utvecklades en gjutlegering Co - Ni - Cr - W (X-40), som även används vid tillverkning av blad . Under åren 1950-1970 utvecklades nya värmebeständiga nickellegeringar, tillverkade genom vakuumsmältning och förstärkta genom utfällning av 'fasen. Detta har lett till en minskning av användningen av koboltbaserade legeringar.

Funktioner hos värmebeständiga legeringar baserade på kobolt

Dispersionsförstärkta värmebeständiga legeringar

Ett viktigt problem vid utvecklingen av konstruktionsmaterial med ökad hållfasthet och duktilitet är att säkerställa deras stabilitet och enhetlighet av fysikaliska och mekaniska egenskaper över hela driftstemperaturintervallet från kryogena till försmältningstemperaturer. För närvarande är det mest lovande sättet att lösa detta problem att stärka baslegeringen med dispergerade nanopartiklar av eldfasta oxider. Sådana material kallas ODS-legeringar (oxide dispersion strengthened) [12] . ODS-legeringar är oftast baserade på austenitiska värmebeständiga legeringar baserade på Ni, Cr och Fe. Eldfasta oxider av Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , La 2 O 3 , BeO och Y 2 O 3 används vanligtvis som förstärkande partiklar . ODS-superlegeringar erhålls genom mekanisk legering, som inkluderar följande steg: 1) gemensam malning av pulver av de initiala superlegeringskomponenterna i kulkvarnar med tillsats av fint dispergerade eldfasta oxidkonglomerat; 2) förslutning av det avgasade pulvret i en förseglad stålbehållare; 3) komprimering genom extrudering; 4) varmpressning; 5) zonomkristallisation. ODS-superlegering (Inconel MA758) baserad på yttriumoxid Y 2 O 3 utvecklades på 90-talet av förra seklet.

Diffusionsbeläggningar

Eftersom turbinblad gjorda av gjutna värmebeständiga legeringar arbetar vid höga temperaturer och i aggressiva miljöer, blir det nödvändigt att skydda dem från varm korrosion. För detta ändamål används två typer av diffusionsbeläggningar, den så kallade. batchförkolning och beläggningar applicerade i gasfasen. Under beläggningsprocessen anrikas ytskiktet med aluminium och nickelaluminid bildas som beläggningsmatris.

Batchförkolningsprocessen _

Processen sker vid en lägre temperatur (ca 750 °C). Delar placeras i lådor med en blandning av pulver: aktivt material som innehåller aluminium och bildar en beläggning, en aktivator ( klorid eller fluorid ) och termisk ballast, såsom aluminiumoxid . Vid höga temperaturer bildas gasformig aluminiumklorid (eller fluorid), som överförs till produktens yta. Sedan sönderfaller aluminiumklorid och aluminium diffunderar djupt in i volymen. Den så kallade. "grön beläggning", mycket ömtålig och tunn. Detta följs av diffusionsglödgning ( flera timmar vid temperaturer runt 1080 °C). Detta bildar den slutliga beläggningen.

Gasfasbeläggning

Processen sker vid en högre temperatur på cirka 1080 °C. Det aktiva materialet som innehåller aluminium är inte i direkt kontakt med produkten. Det finns inget behov av termisk ballast heller. Processen kännetecknas av utåtriktad diffusion. Diffusionsglödgning krävs också.

Plasmabeläggningar

En modernare bladskyddsteknik är plasmasprutning av termiska barriärbeläggningar . Som regel består en termisk barriärbeläggning av flera skikt - ett underskikt, ett MeCrAlY- skikt, ett keramiskt skikt ( yttriumstabiliserad zirkoniumoxid används ofta ). Vakuum- eller atmosfärisk plasmasprutning är certifierad för olika motorer, dock utförs all modern utveckling på atmosfärisk plasma, eftersom det är billigare att använda.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Nikolaev A. K., Kostin S. A. Handbok "Koppar och värmebeständiga kopparlegeringar" . "Koppar och värmebeständiga kopparlegeringar" encyklopedisk terminologisk ordbok: en grundläggande uppslagsbok . DPK Press (2012).
  2. ↑ 1 2 Flyg. Encyklopedi. M.: Great Russian Encyclopedia, 1994, sid. 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 och 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
  5. ↑ Rapport om besök i Tyskland och Österrike för att undersöka legeringar för användning vid hög temperatur. BIOS Final Report N 396, London, 1946
  6. ↑ 1 2 Giamei AF, Pearson DD, Anton DL Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, sid. 293-307
  7. ↑ Tumanov A. T. , Shalin R. E., Starkov D. P. Flygmaterialvetenskap. - i boken: Utveckling av flygvetenskap och -teknik i Sovjetunionen. Historiska och tekniska uppsatser. M.: Nauka, 1980, sid. 332-334
  8. ↑ Superlegeringar II, red. Sims, Stoloff, Hagel. Översätta till ryska språket. M., Metallurgy, 1995, vol. 1, s. 29
  9. ↑ http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html Arkiverad 8 januari 2017 på Wayback Machine
  10. ↑ 1 2 3 4 Superlegeringar . Hämtad 29 augusti 2007. Arkiverad från originalet 8 januari 2017.
  11. ↑ Rapport om besök i Tyskland och Österrike för att undersöka legeringar för användning vid höga temperaturer/ - BIOS slutrapport nr 396. London 1946, sid. 13.
  12. ↑ K.A. Jusjtjenko, Yu.A. Semerenko, E.D. Tabachnikova, A.V. Podolsky, L.V. Skibina, S.N. Smirnov, V.S. Savchenko. Inconel MA758: En ny nanostrukturerad superlegering. Akustiska och mekaniska egenskaper i temperaturområdet 4,2–310 K,  Metallofiz . senaste tehnol . - 2013. - T. 35 , nr. 2 . - S. 225-231 .

Litteratur