Hőálló ötvözetek

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2016. január 31-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 26 szerkesztést igényelnek .

A hőálló ötvözetek  olyan fémes anyagok, amelyek magas hőmérsékleten és oxidáló környezetben nagy mértékben ellenállnak a képlékeny deformációnak és tönkremenetelnek. A hőálló ötvözetek szisztematikus tanulmányozásának kezdete az 1930-as évek végére esik - a repülés fejlődésének új szakaszának időszakára, amely a sugárhajtású repülőgépek és a gázturbinás hajtóművek (GTE) megjelenéséhez kapcsolódik.

A hőálló ötvözetek lehetnek alumínium, titán, vas, réz [1] , kobalt és nikkel alapúak. A repülőgép-hajtóművekben a legelterjedtebbek a nikkel hőálló ötvözetek, amelyekből készülnek a munka- és fúvókalapátok, turbina rotortárcsák , égéstér-alkatrészek stb. és por. A leghőállóbbak a nikkel alapú komplex ötvözetek, amelyek akár 1050-1100 °C hőmérsékleten is képesek több száz és több ezer órán keresztül működni nagy statikus és dinamikus terhelés mellett [2] .

Történelem

Az első hőálló acélokat gázturbinás motorokhoz Krupp fejlesztette ki Németországban 1936-1938-ban. A Tinidur erősen ötvözött ausztenites acélt turbinalapátok anyagaként hozták létre 600-700 °C hőmérsékleten. A Tinidur egy ausztenites acél csapadékos edzéssel (Ni 3 Ti) és keményfém edzéssel. 1943-1944-ben a Tinidur éves termelése 1850 tonna volt. A Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) és a Heraeus Vacuumschmelze DVL42 és DVL52 ausztenites acélokat (angol terminológiával ötvözetek) fejlesztett ki magasabb, 750–800 °C-os üzemi hőmérsékletekre. Az acélok összetételét a táblázat tartalmazza.

Német ausztenites hőálló acélok kémiai összetétele gázturbinás motorokhoz [3] [4] [5]
Név %C %Mn %Si Ni %Co % Cr %Mo %W Ti % Al % egyéb
tételek
Tinidur 0,14-ig 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14,5-15,5 1,8-2,2 0.2 Fe
alap
DVL42 0,1-ig 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1,5-2,0 Fe
alap
DVL52 0,1-ig 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

Németországban az 1940-es években a repülőgépek gázturbinás motorjainak fejlesztői között az volt a vágy, hogy a turbina előtti gáz hőmérsékletét 900 °C-ra emeljék. Ebből a célból a DVL Intézet számos céggel együtt kísérletezett ausztenites komplexen ötvözött ötvözetekkel. A háború alatt a németországi ötvözőelemek akut hiánya miatt felismerték egy ilyen megoldás lehetetlenségét. A kutatás eredményeként két irányt választottak: 1. üreges léghűtéses pengék (munka és fúvóka) létrehozása a felhasznált anyagok ötvözésének megfelelő csökkentésével; 2. kerámia anyagok lehetőségeinek tanulmányozása. Mindkét munkaterület úttörő volt, és mindegyik esetében jelentős eredmények születtek.

A Jumo-004A sugárhajtómű első sorozatát 1942 óta gyártják, Krupp Tinidur anyagából készült monolit munka- és fúvókalapátokkal. Később ugyanabból az anyagból készült üreges hűtött lapátokra cserélték őket, amelyek lehetővé tették a turbina előtti gáz hőmérsékletének 850 °C-ra emelését (Jumo-004E sorozat). 1944 óta a Jumo-004B motor sorozatos módosításai üreges, hűtött rotorlapátokat használnak, amelyek kevésbé ritka Cromadur acélból készültek .

1942-re Nagy-Britanniában megalkották a Nimonic-80 hőálló ötvözetet, amely az első a magas hőmérsékletű nikkel-króm alapú csapadékos keményedő ötvözetek sorozatában. Az ötvözet megalkotója William Griffiths .  Griffith W.T. A Nimonic-80 ötvözet alapja a nikróm (80% Ni - 20% Cr), amely a 20. század eleje óta ismert nagy hőállóságáról és nagy elektromos ellenállásáról . A Nimonic-80 ötvözet legfontosabb ötvözőelemei a titán (2,5%) és az alumínium (1,2%) voltak, amelyek az erősítő fázist alkotják. A gamma-primer erősítő fázis mennyisége az ötvözetben 25-35 térfogat% volt [6] . A Nimonic-80-at deformált állapotban használták az egyik első Rolls-Royce Nin gázturbinás motor turbinalapátjaihoz , amelyek próbapadi tesztelését 1944 októberében kezdték meg . A nimon-80 ötvözetből készült turbinalapátok 750-850°C-os hőmérsékleten nagy, hosszú távú szilárdsággal rendelkeztek.

A Szovjetunióban a Nimonic-80 ötvözet analógjai az EI437, EI437A (KhN77TYu) és EI437B (KhN77TYuR) nikkel hőálló ötvözetek, amelyeket sürgősen 1948-ban hoztak létre a VIAM , a TsNIIChermet és az Elektrostal F. Kh. gyár részvételével . 7] .

A hőálló ötvözetek alapja általában a periódusos rendszer VIII. csoportjának elemei . Az 1940-es évekig a hőálló ötvözetek alapja a vas vagy a nikkel volt . Jelentős mennyiségű krómot adtak hozzá a korrózióállóság növelésére. Alumínium , titán vagy nióbium hozzáadása növelte a kúszási ellenállást . Egyes esetekben rideg fázisok képződtek, mint például az M 23 C 6 karbidok . Az 1940-es évek végén megszűnt a vas használata a hőálló ötvözetek alapjaként, és előnyben részesítették a nikkel- és kobaltalapú ötvözeteket . Ez lehetővé tette egy erősebb és stabilabb arcközpontú mátrix előállítását .

Az 1940-es évek végén felfedezték a hőálló ötvözetek további keményítésének lehetőségét molibdénnel történő ötvözéssel . Később ugyanerre a célra olyan elemek adalékait kezdték használni, mint a volfrám , nióbium , tantál , rénium és hafnium . (Lásd a tantál-hafnium-karbidot , bár a hafnium nem képez ilyen karbidokat hőálló ötvözetekben, hanem „mechanikusan” növeli a szilárdságot és a hajlékonyságot, ami a szemcsehatárok csavarodását okozza, az ún. „hafnium-effektus”. Ezenkívül részt vesz a további mennyiségek kialakulása fázis-gamma-prím [8] ).

Nikkel alapú ötvözetek

Az 1950-es években a Pratt & Whitney és a General Electric kifejlesztette a Waspaloy és az M-252 ötvözeteket, amelyeket molibdénnel ötvöztek, és repülőgépmotorok lapátjaihoz szánták. Ezután olyan ötvözeteket fejlesztettek ki, mint a Hastelloy alloy X, Rene 41 , Inconel , köztük az Inco 718 , Incoloy 901 stb.

Szakértői becslések szerint az 1950-1980-as évek során a nikkel hőálló ötvözetek kémiai összetétele változott legjelentősebben az alumínium és az azt helyettesítő elemek ' fázisban történő bevezetése miatt. Ez a fázis térfogathányadának növekedéséhez vezetett a Nimonic 80 és U-700 ötvözetek 25-35 térfogat%-áról 65-70 térfogatszázalékra a modern pengeanyagokban [6] .

Ötvözet

A nikkel alapú hőálló ötvözetek általában összetett kémiai összetételűek. 12-13 komponenst tartalmaz, gondosan kiegyensúlyozva a kívánt tulajdonságok elérése érdekében. A szennyeződések, például a szilícium (Si), a foszfor (P), a kén (S), az oxigén (O) és a nitrogén (N) tartalmát is szabályozzák. Az olyan elemek, mint a szelén (Se), a tellúr (Te), az ólom (Pb) és a bizmut (Bi) tartalma elhanyagolható legyen, amit az alacsony ezen elemek tartalmú töltésanyagok kiválasztása biztosít, mivel nem az olvadás során lehetséges megszabadulni tőlük. Ezek az ötvözetek jellemzően 10-12% krómot (Cr), legfeljebb 8% alumíniumot (Al) és titánt (Ti), 5-10% kobaltot (Co), valamint kis mennyiségű bórt (B), cirkóniumot (Zr ) tartalmaznak. ) és szén (C). Néha hozzáadnak molibdént (Mo), volfrámot (W), nióbiumot (Nb), tantált (Ta) és hafniumot (Hf) .

Ezekben az ötvözetekben az ötvözőelemek a következőképpen csoportosíthatók:

  1. Elemek, amelyek Ni-vel egy ausztenites mátrixot képeznek felületközpontú kristályrácstal - Co, Fe, Cr, Mo és W
  2. Az erősítő fázist (Ni 3 X) alkotó elemek az Al, Ti, Nb, Ta, Hf. Ebben az esetben a Ti, Nb és Ta része a fázisnak és erősíti azt.
  3. Szemcsehatár szegregációt alkotó elemek - B, C és Zr

A karbidképző elemek közé tartozik a Cr, Mo, W, Nb, Ta és Ti. Az Al és a Cr oxidfilmeket képez , amelyek megvédik a termékeket a korróziótól.

A kovácsolt nikkel alapú hőálló ötvözetek jellemző kémiai összetétele [9]
Ötvözet Ni % Cr %Co %Mo % Al Ti %Nb %C %B Zr % egyéb
tételek
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
Astroloy 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 - -
A nikkel alapú öntött hőálló ötvözetek jellemző kémiai összetétele [10]
Ötvözet Ni % Cr %Co %Mo % Al Ti %Nb %C %B Zr % egyéb
tételek
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% W
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% W
René 77 58,0 14.6 15.0 4.2 4.3 3.3 - 0,07 0,016 0,04
René 80 60,0 14.0 9.5 4.0 3.0 5.0 - 0.17 0,015 0,03 4,0 tömeg%

Fázisösszetétel

A hőálló ötvözetek fő fázisai a következők:

  1. A gamma fázis ( ) az fcc mátrix. kristályrács. Ennek a fázisnak a szilárd oldata nagy mennyiségű Co-t, Cr-t, Mo-t, W-t tartalmaz
  2. A gamma-prime ( ') fázis egy csapadék részecskéit képezi , amely szintén rendelkezik fcc-vel. kristályrács. Ez a fázis olyan elemeket tartalmaz, mint az Al és a Ti. Ennek a fázisnak, a koherens ausztenites mátrixnak a térfogatrésze meglehetősen nagy
  3. Karbidok. Az ötvözetek széntartalma viszonylag alacsony (0,05-0,2%). Keményfémképző elemekkel kombinálódik - Ti, Ta, Hf
  4. Szemcsehatár '-fázis. Ez a fázis a hőkezelés során film formájában képződik a szemcsehatárok mentén .
  5. Boridok Ritka részecskék formájában megkülönböztethetők a szemcsehatárok mentén
  6. Fázisok stb. at. (topológiailag sűrűn csomagolt fázisok) lamellás morfológiájúak . Példa: fázisok , és Laves fázis . Ezek a fázisok az anyag ridegségéhez vezetnek, és nemkívánatosak.

Hőkezelés

A kovácsolt nikkel szuperötvözetek MC típusú karbidok diszpergált csapadékát tartalmazzák a mátrixban. A homogenizációs lágyítás lehetővé teszi a mátrix előkészítését, hogy a keményedési fázis részecskéi egyenletesen eloszlajanak a későbbi öregítés során . Például az Inco 718 ötvözet esetében a homogenizálási hőkezelés 1 órán át tart 768 °C-on, és az öregítés két szakaszban történik: 8 óra 718 °C-on és 8 óra 621 °C-on. A homogenizációs izzítás után fontos a hűtési sebesség fenntartása, hogy elkerüljük a nem kívánt fázisok kicsapódását. Az öregedés szakaszai közötti hűtés zökkenőmentesen történik 2 órán keresztül.

Hőállóság

A hőállóságot meghatározó egyik tényező a nagy kúszási ellenállás . Az ötvözetek hőállóságát a hosszú távú szilárdság vagy magas hőmérsékleten való kúszás határai alapján becsülik meg, és mindenekelőtt a szerkezetükhöz és összetételükhöz kapcsolódnak. Szerkezetük szerint a hőálló ötvözetek többfázisúak, erős szemcse- és fázishatárokkal [2] . A nikkel hőálló ötvözetekben ezt többkomponensű ötvözéssel biztosítják. Ebben az esetben az ötvözetek magas hőmérsékleti szilárdsága minél nagyobb, minél nagyobb az erősítő fázisok térfogathányada, és annál nagyobb a hőstabilitásuk, azaz a hőmérséklet emelkedésével szembeni oldódási és koagulációs ellenállása.

Tartósság

A nikkel hőálló ötvözeteket 760-980 °C hőmérsékleten használják. Az öntött szuperötvözetek hosszú távú szilárdsággal rendelkeznek magasabb hőmérsékleten. Például a MAR-M246 ötvözet hosszú távú szilárdsága 124 MPa 1000 óra 982 °C-on elteltével.

A hőálló nikkel-vas ötvözeteket 650-815 °C hőmérsékleten használják. Hosszú távú erejük jóval alacsonyabb.

Hőálló ötvözetek hosszú távú szilárdsága három hőmérsékleten, MPa [10]
Ötvözet 650 °C
100 óra 		650°C
1000 óra 		815°C
100 óra 		815°C
1000 óra 		982 °C
100 óra 		982 °C
1000 óra
Inconel X-750 552 469 179 110 24
Udimet 700 703 400 296 117 55
Astroloy 772 407 290 103 55
IN-100 503 379 172 103
MAR-M246 565 448 186 124

Monokristályos szuperötvözetek

1970-1980-ban megkezdődött az irányított kristályosítással nyert hőálló öntött ötvözetek és a nikkel alapú egykristályos ötvözetek alkalmazása. Ezen anyagok (nikkel alapú) használata lehetővé tette a gázturbina lapátok szilárdságának és hőállóságának növelését.


Az irányított kristályosítással nyert hőálló ötvözetek kémiai összetétele [10]
Ötvözet % 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
Egykristályos hőálló ötvözetek kémiai összetétele [10]
Ötvözet % Cr %Co %W %Mo % Ta %Nb Ti % Al %HF
Pratt & Whitney 1. sz 10.0 5.0 4.0 - 12.0 - 1.5 5.0 -
Pratt & Whitney No. 2
(3% Re) 		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 -


Már a Jumo-004 gázturbinás motorok lapátjainak használatának korai tapasztalatai azt mutatták (K. Gebhardt, Krupp, Essen kutatása), hogy a gyakorlatban a lapátok élettartamát a kifáradási szilárdság határozza meg, és a lapáthibák túlnyomó száma fáradtság [11] .

Kobalt alapú ötvözetek

A Haynes cég már a 20. század elején szabadalmat kapott  a Co-Cr és Co-Cr-W rendszerű ötvözetekre, ezeket a " stelliteknek " nevezett ötvözeteket eleinte forgácsolószerszámok gyártására használták. és kopásálló alkatrészek. Az 1930-as években kifejlesztették a Vitallium öntödei Co-Cr-Mo ötvözetet fogprotézisekhez . A HS-21 ötvözet hasonló összetételét egy évtizeddel később kezdték el használni turbófűtőkben és gázturbinákban. Ezzel egy időben elkezdték a Co-Ni-Cr rendszer ötvözetét használni a gázturbinás motorok vezetőlapátjaihoz. 1943 - ban  kifejlesztettek egy Co-Ni-Cr-W (X-40) öntvényötvözetet, amelyet pengék gyártásához is használnak. Az 1950-1970-es években új nikkel-hőálló ötvözeteket fejlesztettek ki, amelyeket vákuumolvasztással készítettek, és a fázis kicsapásával erősítettek meg. Ez a kobalt alapú ötvözetek használatának csökkenéséhez vezetett.

A kobalt alapú hőálló ötvözetek jellemzői

Diszperziós szilárdságú hőálló ötvözetek

A megnövekedett szilárdságú és hajlékonyságú szerkezeti anyagok fejlesztésénél fontos probléma a stabilitásuk, valamint a fizikai és mechanikai tulajdonságaik egységességének biztosítása a teljes üzemi hőmérséklet-tartományban a kriogéntől az olvadás előtti hőmérsékletig. Jelenleg a probléma megoldásának legígéretesebb módja az alapötvözet tűzálló oxidok diszpergált nanorészecskéivel történő megerősítése. Az ilyen anyagokat ODS-nek (oxid diszperziós erősített) ötvözeteknek nevezik [12] . Az ODS-ötvözetek leggyakrabban Ni, Cr és Fe alapú ausztenites hőálló ötvözeteken alapulnak. Az Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , La 2 O 3 , BeO és Y 2 O 3 tűzálló oxidjait általában erősítő részecskékként használják . Az ODS szuperötvözeteket mechanikus ötvözéssel állítják elő, amely a következő lépésekből áll: 1) a kezdeti szuperötvözet-komponensek porainak együttes őrlése golyósmalomban finoman diszpergált tűzálló oxid-konglomerátumok hozzáadásával; 2) a gázmentesített port egy lezárt acéltartályba zárjuk; 3) tömörítés extrudálással; 4) meleg sajtolás; 5) zóna átkristályosítás. Az Y 2 O 3 ittrium-oxid alapú ODS-szuperötvözetet (Inconel MA758) a múlt század 90-es éveiben fejlesztették ki.

Diffúziós bevonatok

Mivel az öntött hőálló ötvözetekből készült turbinalapátok magas hőmérsékleten és agresszív környezetben működnek, szükségessé válik a forró korrózió elleni védelme. Erre a célra kétféle diffúziós bevonatot alkalmaznak, az ún. szakaszos karburálás és gázfázisban alkalmazott bevonatok. A bevonási folyamat során a felületi réteget alumíniummal dúsítják, és bevonómátrixként nikkel- aluminid képződik.

A kötegelt karburálási folyamat

A folyamat alacsonyabb hőmérsékleten (kb. 750 °C) megy végbe. Az alkatrészeket dobozokba helyezik porkeverékkel: alumíniumot tartalmazó és bevonatot képező hatóanyag, aktivátor ( klorid vagy fluor ) és termikus ballaszt, például alumínium- oxid . Magas hőmérsékleten gáznemű alumínium-klorid (vagy fluorid) képződik, amely a termék felületére kerül. Ezután az alumínium-klorid lebomlik, és az alumínium mélyen a térfogatba diffundál . Az úgynevezett. "zöld bevonat", nagyon törékeny és vékony. Ezt diffúziós hőkezelés követi (néhány óra 1080 °C körüli hőmérsékleten). Ez képezi a végső bevonatot.

Gázfázisú bevonat

A folyamat magasabb hőmérsékleten, körülbelül 1080 °C-on megy végbe. Az alumíniumot tartalmazó hatóanyag nem érintkezik közvetlenül a termékkel. Nincs szükség termikus ballasztra sem. A folyamatot a kifelé irányuló diffúzió jellemzi. Diffúziós hőkezelés is szükséges.

Plazma bevonatok

Egy korszerűbb pengevédelmi technológia a hőzáró bevonatok plazmaszórása . A hőzáró bevonat általában több rétegből áll - egy alrétegből, egy MeCrAlY rétegből, egy kerámiarétegből ( gyakran ittrium-stabilizált cirkónium-oxidot használnak). A vákuum vagy atmoszférikus plazma permetezés különböző motorokhoz van tanúsítva, azonban minden modern fejlesztés atmoszférikus plazmán történik, mivel olcsóbb az üzemeltetése.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Nikolaev A. K., Kostin S. A. Kézikönyv "Réz és hőálló rézötvözetek" . "Réz és hőálló rézötvözetek" enciklopédikus terminológiai szótár: alapvető referenciakönyv . DPK Press (2012).
  2. ↑ 1 2 Repülés. Enciklopédia. M.: Nagy Orosz Enciklopédia, 1994, p. 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 és 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
  5. ↑ Jelentés a németországi és ausztriai látogatásról a magas hőmérsékleten használható ötvözetek vizsgálata céljából. BIOS Final Report N 396, London, 1946
  6. ↑ 1 2 Giamei AF, Pearson DD, Anton DL Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39. o. 293-307
  7. ↑ Tumanov A. T. , Shalin R. E., Starkov D. P. Repülési anyagtudomány. - a könyvben: A repüléstudomány és -technológia fejlődése a Szovjetunióban. Történelmi és műszaki esszék. M.: Nauka, 1980, p. 332-334
  8. ↑ Superalloys II, szerk. Sims, Stoloff, Hagel. Fordítás orosz nyelvre. M., Metallurgy, 1995, 1. kötet, 29. o
  9. ↑ http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html Archiválva : 2017. január 8. a Wayback Machine -nél
  10. ↑ 1 2 3 4 Szuperötvözetek . Letöltve: 2007. augusztus 29. Az eredetiből archiválva : 2017. január 8..
  11. ↑ Jelentés a németországi és ausztriai látogatásról a magas hőmérsékleten használható ötvözetek vizsgálata céljából/ - BIOS Final Report No 396. London 1946, p. 13.
  12. ↑ K.A. Juscsenko, Yu.A. Semerenko, E.D. Tabachnikova, A.V. Podolsky, L.V. Skibina, S.N. Szmirnov, V.S. Savchenko. Inconel MA758: Új nanostrukturált szuperötvözet. Akusztikai és mechanikai tulajdonságok a 4,2-310 K hőmérséklet-tartományban,  Metallofiz . legújabb technológia . - 2013. - T. 35 , sz. 2 . - S. 225-231 .

Irodalom