Влиянии примесей и добавок на свойства никелевых жаропрочных сплавов

Во всем мире проводятся работы по переходу в тепловых электростанциях от температуры пара 650 °С  к температурам 700 – 750 °С, т.н. суперсверхкритическим параметрам. Производство сталей и сплавов на эти параметры ориентировано на технологию электрошлакового переплава крупных кузнечных слитков для изготовления роторов турбин ТЭС. До настоящего времени для промышленного применения такие технологии для сплошных слитков еще не созданы, а по полым слиткам находятся в зачаточном состоянии.

Для эксплуатации при температурах выше 600...650 °С используются сплавы на никелевой основе с интерметаллидными упрочнениями. Типичными представителями этих материалов, применяемых в роторах турбин, являются сплавы Инконель 706 и 718. Общей проблемой для этих материалов при изготовлении поковок для роторов турбин является обеспечение стабильности их состава по титану и алюминию, а также предотвращение образования кристаллизационных дефектов в виде пятнистой ликвации, усугубляющейся с увеличением сечения и массы слитка.

Рассмотрим влияние элементов  входящих в состав данных сплавов:

Влияние углерода:

     Несмотря на малое содержание, углерод в жаропрочных никелевых сплавах оказывает большое влияние на их структуру и свойства, так как образует не только трудно растворимый карбид титана, но и карбиды хрома типа Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, а в присутствии вольфрама и молибдена – двойные карбиды типа MeC₆.

Влияние кобальта:

     Введение кобальта  оказывает положительное влияние  на жаропрочность и технологичность  (ковкость). Это влияние особенно  полезно, когда сплавы сильно  легированы титаном, вольфрамом, молибденом, бором вместе с алюминием. Основной упрочняющей фазой в сплавах с кобальтом является ƴʹ-фаза типа (Ni, Co)₃(TiAl).

Влияние железа:

     Введение до 2% железа практически не изменяет  жаропрочность и технологические свойства сплавов.

Влияние вольфрама, молибдена, ниобия, кремния

     Раздельное  введение молибдена, вольфрама  и ниобия не оказывает большего влияния на изменение твердости и жаропрочности. При комплексном легировании, когда эти элементы вводят вместе с титаном и алюминием, эффект упрочнения получается более значительным, особенно в области высоких температур.

     Установлено,  что ни вольфрам, ни молибден  не входят в состав упрочняющих  фаз. Однако присутствуя в твердом  растворе, они оказывают  благоприятное влияние, повышая его термическую стойкость путем торможения процессов разупрочнения при высоких температурах. Они повышают температуру рекристаллизации твердого раствора. В присутствии  бора и углерода вольфрам и молибден могут входить в состав упрочняющих фаз (боридов и карбонитридов).

     Ниобий способствует  повышению термической стойкости  твердого раствора, а при введении  достаточного количества участвует  в образовании интерметаллидной  фазы типа Ni3Nb или входит в состав  ƴʹ-фазы, а также в состав карбидов. При содержании ниобия порядка 3-5% сплавы обладают  меньшей склонностью к трещинообразованию. Ниобий сильно измельчает  зерно благодаря образованию карбидов и благоприятно действует на упрочнение приграничных объемов.

     Кремний оказывает  отрицательное влияние на длительную  прочность.

Влияние бора:

     Добавление  небольшого количества бора способствует  резкому замедлению дифуззиозных процессов по границам зерен металла. В присутствии бора резко затрудняется диффузия легкоплавких составляющих. Также бор способствует измельчению частиц упрочняющей ƴʹ-фазы.

Влияние серы:

     Сера при  большом ее содержании приводит  к резкому снижению жаропрочности,  образую с железом, никелем  и кобальтом легкоплавкие эвтектики. Также она вызывает микрорастрескивание. Поэтому содержание серы должны быть минимальным.

      К основным фазам жаропрочных сплавов на основе никеля относятся:

1. Гамма-фаза ( ) является матрицей с г.ц.к. кристаллической решёткой. В твёрдом растворе этой фазы содержится большое количество Co, Cr, Mo, W
2. Гамма-штрих ( ') фаза образует частицы преципитата, имеющего также г.ц.к. кристаллическую решётку. В эту фазу входят такие элементы, как Al и Ti. Объёмная доля этой фазы, когерентной аустенитной матрице достаточно велика
3. Карбиды. Содержание углерода в сплавах относительно невелико (0,05-0,2 %). Он соединяется с карбидообразующими элементами — Ti, Ta, Hf
4. Зернограничная  '-фаза. Эта фаза образуется в виде плёнки по границам зёрен в процессе термической обработки.
5. Бориды. Выделяются по границам зёрен в виде редких частиц
6. Фазы т. п. у. (топологически плотно упакованные фазы) имеют пластинчатую морфологию. Пример: фазы  ,   и фаза Лавеса. Эти фазы приводят к охрупчиванию материала и являются нежелательными.