Жаропрочные и жароупорные сплавы

Наоборот, специфически жароупорные сплавы некоторых видов не отличаются особой жаропрочностью; таковы, например, спец сплавы для элементов электрического сопротивления.

Жаропрочные сплавы применяются для изготовления частей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, реактивных двигателей, атомноэнергетических установок и пр.

Важнейшими являются следующие их свойства.

Высокая жаропрочность характеризуется пределом ползучести при высоких температурах, являющимся основной расчётной величиной, определяющей сопротивление деформации, и пределом длительной прочности, определяющей сопротивление разрушению.

Высокая жароупорность характеризуется сопротивлением химическому разрушению материала с поверхности при высоких температуpax; разрушение это (часто интеркристаллитное) ускоряется при наличии растягивающих напряжений.

Высокий предел усталости, иначе выносливость материала, характеризуется сопротивлением переменным нагрузкам. Нередко, в применении к нагнетателю газовой турбины, эта характеристика является важнейшей, поскольку практически невозможно полностью устранить вибрацию отдельных элементов такой конструкции.

Малая чувствительность к надрезу — свойство материала перераспределять напряжения, снижая их «пики» у дна надреза в результате местной пластической деформации. С течением времени материал, работающий при высоких температуpax, становится более хрупким, что во многих случаях сильно повышает его чувствительность к надрезам (к концентрации напряжений).

Высокое сопротивление термической усталости, т. е. действию неизбежно возникающих в отдельных элементах конструкции термических напряжений, которые пропорциональны модулю упругости сплава и его коэффициенту теплового расширения и обратно пропорциональны коэффициенту теплопроводности.

Высокое сопротивление эрозии, т. е. разрушению (истиранию) при динамическом контакте с рабочим телом — газом, паром, воздухом.

Некоторые физические свойства — малый коэффициент теплового расширения и высокая теплопроводность.

Однородность структуры и свойств, т. к. прочность всей конструкции определяется прочностью самой слабой её части, и дефект в одной лопатке турбины может стать причиной аварии сложного сооружения.

Основные требования производства к жаропрочным сплавам таковы:

• хорошая технологичность (штампуемость деформируемых сплавов, пригодность для точного литья литейных сплавов, свариваемость, обрабатываемость резанием ит. п.),
• относительно невысокая трудоёмкость изготовления,
• недефицитность входящих в их состав металлов.

Температурный уровень жаропрочности сплавов определяют в основном следующие 3 фактора.

Прочность межатомной связи: по этой причине молибден является лучшей основой таких сплавов, чем никель или железо, а железо — лучшей, чем алюминий или магний, прочность межатомного сцепления в том или ином металле можно повысить легированием.

Температура плавления: сплавы, естественно, не могут работать при температуре выше точки своего плавления.

Структура сплава; жаропрочность, как и прочность вообще, в очень большой мере зависит от структуры. Изменением её можно широко регулировать жаропрочность сплава, однако в пределах лишь тех возможностей, какие определяются прочностью межатомной связи.

По своей структуре жаропрочные сплавы должны отличаться:

1. гетерофазностью (неоднородностью) строения, причём особенно желательны мелкие включения упрочняющих фаз, прочно связанные с матрицей (основным твёрдым раствором) сплава,
2. стабильностью матрицы и упрочняющих фаз, которая достигается специальным легированием, замедляющим диффузию в сплаве атомов,
3. прочностью границ зёрен, которая обеспечивается специальным легированием, в частности бором (это свойство имеет особое значение, поскольку длит, действие статической нагрузки при высоких температуpax в очень многих случаях приводит к разрушению жаропрочных сплавов именно по границам зёрен).

Большое влияние на жаропрочность сплавов имеет состояние поверхности изготовленных из них изделий (деталей). В частности, наклёп, как следствие механической обработки, влияет на длительную прочность двояко: повышает её при сравнительно низких температуpax и понижает при высоких.

Это связано с ускорением диффузии атомов в результате холодного деформирования, при высоких температуpax, когда фактор диффузии приобретает практическое значение, он может обусловить повышение хрупкости (в особенности по границам зёрен) в результате усиленного старения сплава и понижение сопротивления отрыву.

Интересно, что по той же причине (интенсивное старение) сопротивление жаропрочного сплава пластической деформации и срезу возрастает.

Таким образом, предел длительной прочности не является, функцией сопротивления срезу или пластической деформации, многочисленные опыты убеждают, что он является функцией сопротивления отрыву, которое характеризует хрупкое, а не вязкое разрушение материала.

Упрочняющий эффект наклёпа при длит, испытаниях в области сравнительно низких температуp, где диффузия атомов не имеет существенного значения, связан с повышением сопротивления отрыву вследствие измельчения структуры под влиянием предварительной деформации.

К началу 2-й пол. 20 в. имеется много сплавов, применяемых в качестве жаропрочных. Они строятся на основе алюминия, магния, меди, железа и никеля. Всё большее распространение получают также сплавы на основе титан некоторых тугоплавких металлов (молибдена и др.) и тугоплавких химических соединений (карбидов, боридов и т. п.).

Жароупорные сплавы можно характеризовать как разновидность жаропрочных сплавов, которые не подвергают действию механических нагрузок. В отношении их решающее значение имеет сопротивление химическому воздействию внешней среды всего это воздействие сводится к окислению.

Наличие на поверхности сплава плотных окисных плёнок предохраняет его от окисления при нагреве (помимо плотности, защитные свойства плёнок зависят также от температуры их плавления, теплоты образования, упругости диссоциации, электросопротивления и др.).

Легирование железных сплавов хромом, алюминием и кремнием приводит к образованию таких плёнок поверхности металла. Сплав на никелевой основе, содержащий около 20% Сг (нихром), специально применяется для изготовления элементов электрических нагревателей, работающих при температуре до 1200°. Для работы при более высоких температурах существуют другие специальные сплавы.