Жаропрочности материалов

Дальнейшее повышение жаропрочности достигается введением элементов, упрочняющих твердый раствор, — кобальта, молибдена, вольфрама (сплавы нимоник 90 и 100).

Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных и особенно интерметаллидных фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего старения. Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.

Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (~20 %), а для повышения жаропрочности — титаном (1,0—2,8 %) и алюминием (0,55—5,5 %). В этом случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная 7'"Фаза типа Ni3(Ti, A1), когерентно связанная с основным ^-раствором, а также карбиды TiC, Cr23Ce и нитриды TIN, увеличивающие прочность при высоких температурах. Чем больше объемная доля у'-фазы, тем выше рабочая температура сплава.1 Предельная температура работы сплавов на никелевой основе составляет ~0,8Т11Л. При более высоких температурах происходит коагуляция и растворение 7'-Фазы в V" растворе, что сопровождается сильным снижением жаропрочности. Хром и кобальт понижают, а вольфрам повышает температуру полного растворения -у'-фазы. Увеличение содержания Al, W и дополнительное легирование сплава Nb, Та, V позволяет повысить их рабочую температуру. Дальнейшее увеличение жаропрочности достигается легированием сплавов 2,0—11 % Мо и 2,0—11 % W, упрочняющим твердый раствор, повышающим температуру рекри-

Н. с. д. ж. применяются для изготовления деталей, работающих при 700 — 1100°. Они используются также как нагревательные элементы (см. Сплавы, для нагревательных элементов). В качестве конструкционных материалов обычно применяются нихромы, к-рые наряду с высокой жаростойкостью должны обладать повышенной жаропрочностью. Это достигается путем легирования тугоплавкими металлами (молибден, вольфрам и т. п.) в пределах твердого раствора, а также элементами, образующими стойкие карбиды или карбонитриды (ниобий, титан). Нихромы, в к-рых повышение жаропрочности достигается за счет легирования элементами, вызывающими интенсивное старение, относятся к жаропрочным сплавам (см. Никелевые сплавы деформируемые жаропрочные). Рассматриваемые в настоя-

Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего старения. Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.

Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (~20 %), а для повышения жаропрочности — титаном. (1,0—2,8 %) и алюминием (0,55—5,5 %). В этом случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная у'-фаза типа Ni3 (Ti, A1), когерентно связанная g основным Y-раствором, а также карбиды TiG и нитриды TiN, увеличивающие прочность при высоких температурах. Дальнейшее увеличение жаропрочности достигается легированием сплавов молибденом и вольфрамом, повышающими температуру рекристаллизации и затрудняющими процесс диффузии в твердом растворе, который необходим для коагуляции избыточных фаз и рекристаллизации. Добавление к сложнолегированным сплавам кобальта еще больше увеличивает жаропрочность и технологическую пластичность сплавов. Для упрочнения границ зерен ^-раствора сплав легируют бором и цирконием. Они устраняют вредное влияние примесей, связывая их с тугоплавкими соединениями. Примеси серы, сурьмы, свинца и олова понижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обработку давлением. В связи g этим для повышения жаропрочности при выплавке жаропрочных сплавов необходимо применять возможно более чистые шихтовые материалы, свободные от вредных легкоплавких примесей.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (ав= 2500...3500 МПа, Е= 38...420 ГПа) и углеродные (ав= 1400...3500 МПа, Е= 160...450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют ав= 2500...3500 МПа, ?=450 ГПа. Нередко в качестве волокон используют проволоку из высокопрочных сталей. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Для никелевых сплавов повышение жаропрочности достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой.

2. Образование твердых растворов вызывает появление более мощных сил связи между разнородными атомами в сравнении с теми, которые существуют у чистых металлов. Кроме того, облака атомов растворимого препятствуют перемещению дислокаций в решетке растворителя. Таким образом, твердые растворы имеют большую жаропрочность, чем металлы, на основе которых они образуются. Дополнительное повышение жаропрочности достигается за счет создания многокомпонентных твердых растворов, так как введение в решетку растворителя не одного, а двух, трех и более разных атомов растворимых элементов еще в большей степени повышает силы химической связи между разнородными атомами.

Дальнейшее повышение жаропрочности достигается введением элементов, упрочняющих твердый раствор, — кобальта, молибдена, вольфрама (сплавы нимоник 90 и 100).

Жаропрочность зависит от температуры рекристаллизации, которая также определяется температурой плавления: Т к= а-Тпл. Максимальное значение а=0,7-0,8 достигается у концентрированных твердых растворов. Поэтому в качестве жаропрочных применяются стали, имеющие структуру твердых растворов, легированные тугоплавкими элементами, повышающими температуру рекристаллизации ( хром, молибден, вольфрам, ниобий). При этом аустенитная сталь с гранецентрированной решеткой имеет более высокую жаропрочность, чем ферритная с объем-ноцентрированной. Дополнительное повышение жаропрочности достигается при выделении из твердого раствора различных дисперсных частиц (дисперсионном твердении).

Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных и особенно интерметаллидных фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего старения. Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.

Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (~20 %), а для повышения жаропрочности—титаном (1,0—2,8 %) и алюминием (0,55—5,5 %). В этом случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная у'-фаза типа Ni3(Ti, A1), когерентно связанная с основным у-раствором, а также карбиды TiC, Сг23Сй и нитриды TiN, увеличивающие прочность при высоких температурах. Чем больше объемная доля у'-фазы, тем выше рабочая температура сплава.1 Предельная температура работы сплавов на никелевой основе составляет ~0,8ГПЛ. При более высоких температурах происходит коагуляция и растворение у'-фазы в у-растворе, что сопровождается сильным снижением жаропрочности. Хром и кобальт понижают, а вольфрам повышает температуру пол ного растворения у'-фазы. Увеличение содержания Al, W и дополнительное легирование сплава Nb, Та, V позволяет повысить их рабочую температуру. Дальнейшее увеличение жаропрочности достигается легированием сплавов 2,0—11 % Мо и 2,0—11 % W, упрочняющим твердый раствор, повышающим температуру рекри-

Неприменимы ряды предпочтительных чисел и для определения параметров прогрессивно развиваемых и модернизируемых машин, параметры которых на каждой стадии зависят от технических возможностей и потребностей соответствующих отраслей народного хозяйства. Так, мощность тепловых машин зависит от их начальных параметров (давления и температуры) и частоты вращения. Ни один из этих параметров невозможно произвольно увеличить. В некоторых случаях они имеют оптимальное значение (например, степень сжатия в газовых турбинах), изменение которого ухудшает показатели машины. Увеличение температуры и частоты вращения возможно только на базе технических усовершенствований (повышения жаропрочности материалов, улучшения _охлаждения термически напряженных деталей). Результаты этих поисковых работ невозможно уложить в ряды предпочтительных чисел.

Однако, важность параметрических диаграмм для практического применения связана не только с возможностью экспресс-прогнозирования жаропрочности материалов при циклическом и статическом видах погружения. Дело в том, что, как уже отмечалось, при этом решается и другая важная инженерная задача - прогнозирование остаточной долговечности материала после различ-

По условиям жаропрочности материалов в настоящее время в судовых ГТД с неохлаждаемыми лопатками начальную температуру газа применяют ~ 800 °С. Экономичность ГТД простого цикла при этом с учетом гидравлических и механических потерь, а также отбора воздуха на охлаждение элементов двигателя составляет 24—25 %. Одним из способов повышения КПД ГТД наряду с повышением начальной температуры газа является усложнение цикла.

3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЖАРОПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Результаты многочисленных проверок и анализа данных оценок характеристик жаропрочности материалов разных классов позволили выбрать оптимальный вариант уравнений по расчету

3.1. Определение характеристик жаропрочности материалов.............................. 67

Неприменимы ряды предпочтительных чисел и для определения параметров прогрессивно- развиваемых и модернизируемых машин, параметры которых на каждой стадии зависят от технических возможностей и потребностей соответствующих отраслей народного • хозяйства. Так, мощность тепловых машин зависит от их начальных параметров (давления и температуры) и частоты вращения. Ни один из этих параметров невозможно произвольно увеличить. В некоторых случаях они имеют оптимальное значение (например, степень сжатия в газовых турбинах), изменение которого ухудшает показатели машины. Увеличение температуры и частоты вращения возможно только на базе технических усовершенствований (повышения жаропрочности материалов, улучшения охлаждения термически напряженных деталей). Результаты этих поисковых работ невозможно уложить в ряды предпочтительных чисел.

Темп роста жаропрочности материалов проточной части ГТ после 60-х годов значительно уступает росту начальной температуры газа. Основным средством, позволяющим гарантировать надежность работы ГТУ в этих условиях, является создание высокоэффективных систем охлаждения, прежде всего лопаточного аппарата проточной части ГТ. В подавляющем числе таких систем используется часть циклового воздуха компрессора ГТУ, однако при этом уменьшается полезная работа, совершаемая рабочим телом в турбине.

2.7. Предлагаемый метод определения характеристик жаропрочности материалов допускает экстраполяцию по параметру t в пределах одного порядка, но до напряжений, не меньших минимальных, полученных при испытаниях на длительную прочность при температуре Т2.

При установлении номенклатуры и объема лабораторных испытаний для оценки жаропрочности сварных соединений необходимо учитывать опыт их эксплуатации и в первую очередь вероятность хрупких разрушений изделия. Использование для оценки сварных соединений лишь «классических» методов оценки жаропрочности материалов, без учета особенностей работы изделия с развитой неоднородностью свойств отдельных его участков, привело, например, к тому, что разрушения сварных стыков аустенитных паропроводов, выявившиеся при эксплуатации первых паросиловых установок сверхвысоких параметров оказались неожиданными [33, 53]. Лишь дополнительная разработка ряда методик лабораторных испытаний с учетом особенностей деформирования сварных соединений при высоких температурах позволила выявить механизм обнаруженных в эксплуатации локальных трещин и наметить радикальные меры борьбы с ними.

ползучести, расчетной диаграмме при ас > а > ас. Циклическое высокотемпературное нагружение является более жестким способом на-гружения, поэтому следует ожидать, что в зависимости от режима на-гружения значения К может укладываться в интервале ре, ограниченном линиями, отвечающими Киш и Кыакс (рис. 131). Это подтверждается экспериментальными данными и для других никелевых сплавов [332] и показывает возможность прогнозирования экстремальных уровней долговечности материала при статических и циклических видах нагрузок. Однако важность параметрических диаграмм для практического применения связана не только с возможностью экспресс-прогнозирования жаропрочности материалов при циклическом и статическом видах нагружения. Дело в том, что, как уже отмечалось, при этом решается и другая важная инженерная задача — прогнозирование остаточной долговечности материала после различных сроков службы, поскольку по величине ds = = KilKwm можно количественно судить о степени деградации свойств материала и возможности его дальнейшей устойчивой работы при заданных