Varmebestandige legeringer

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 31. januar 2016; checks kræver 26 redigeringer .

Varmebestandige legeringer  er metalliske materialer med høj modstand mod plastisk deformation og ødelæggelse under påvirkning af høje temperaturer og oxiderende miljøer. Begyndelsen på systematiske undersøgelser af varmebestandige legeringer falder i slutningen af ​​1930'erne - perioden for et nyt trin i udviklingen af ​​luftfart forbundet med fremkomsten af ​​jetfly og gasturbinemotorer (GTE'er).

Varmebestandige legeringer kan være på basis af aluminium, titanium, jern, kobber [1] , kobolt og nikkel. De mest udbredte i flymotorer er nikkel varmebestandige legeringer, hvorfra der fremstilles arbejds- og dyseblade , turbinerotorskiver, forbrændingskammerdele osv. Afhængigt af fremstillingsteknologien kan nikkel varmebestandige legeringer støbes, deformerbare og pulver. De mest varmebestandige er nikkelbaserede komplekse legeringer, der er i stand til at fungere op til temperaturer på 1050-1100 °C i hundreder og tusinder af timer ved høje statiske og dynamiske belastninger [2] .

Historie

De første varmebestandige stål til gasturbinemotorer blev udviklet i Tyskland af Krupp i 1936-1938. Højlegeret austenitisk stål Tinidur blev skabt som materiale til turbinevinger ved temperaturer på 600-700 °C. Tinidur er et austenitisk stål med udfældningshærdning (Ni 3 Ti) og karbidhærdning . I 1943-1944 var den årlige produktion af Tinidur 1850 tons. Institut Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) og Heraeus Vacuumschmelze har udviklet austenitiske stål (legeringer i engelsk terminologi) DVL42 og DVL52 til højere driftstemperaturer på 750–800 °C. Sammensætningen af ​​stål er angivet i tabellen.

Kemiske sammensætninger af tysk austenitisk varmebestandigt stål til gasturbinemotorer [3] [4] [5]
Navn %C %Mn %Si %Ni %Co %Cr %Mo %W %Ti %Al % andre
varer
Tinidur op til 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
base
DVL42 op til 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
base
DVL52 op til 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 i 1940'erne var der et ønske blandt udviklerne af flygasturbinemotorer om at øge temperaturen på gassen foran turbinen til 900 °C. Til dette formål eksperimenterede DVL Instituttet sammen med en række firmaer med austenitiske komplekst legerede legeringer. Under krigen blev umuligheden af ​​en sådan løsning erkendt på grund af den akutte mangel på legeringselementer i Tyskland. Som et resultat af forskningen blev to retninger vedtaget: 1. skabelsen af ​​hule luftkølede vinger (bearbejdning og dyse) med en tilsvarende reduktion i legeringen af ​​de anvendte materialer; 2. undersøgelse af keramiske materialers muligheder. Begge arbejdsområder var banebrydende, og der blev opnået betydelige resultater for hvert af dem.

Den første serie af Jumo-004A jetmotoren blev produceret siden 1942 med monolitiske arbejds- og dyseblade lavet af Krupps Tinidur-materiale. Senere blev de erstattet af hulkølede vinger lavet af samme materiale, hvilket gjorde det muligt at øge gastemperaturen foran turbinen til 850 °C (Jumo-004E serien). Siden 1944 har serielle modifikationer af Jumo-004B-motoren brugt hulkølede rotorblade lavet af mindre sjældent Cromadur- stål .

I 1942 blev den varmebestandige Nimonic-80-legering, den første i en serie af højtemperatur-nikkel-chrom-baserede udfældningshærdende legeringer, skabt i Storbritannien. Skaberen af ​​legeringen er William Griffiths .  Griffith W.T. Grundlaget for Nimonic-80-legeringen er nichrome (80% Ni - 20% Cr), kendt siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede for sin høje varmebestandighed og høje elektriske modstand . De vigtigste legeringselementer i Nimonic-80-legeringen var titanium (2,5%) og aluminium (1,2%), som danner forstærkningsfasen. Mængden af ​​gamma-prime-forstærkningsfasen i legeringen var 25-35 vol% [6] . Nimonic-80 blev brugt i en deformeret tilstand til at fremstille turbinevinger til en af ​​de første Rolls-Royce Nin gasturbinemotorer , som begyndte test på bænk i oktober 1944 . Turbinevinger lavet af nimonic-80 legering havde høj langtidsstyrke ved temperaturer på 750-850°C.

I USSR er analoger til Nimonic-80-legeringen nikkel varmebestandige legeringer EI437, EI437A (KhN77TYu) og EI437B (KhN77TYuR), der blev hurtigt oprettet i 1948 af ansatte i VIAM , TsNIIChermet og Elektrohimush-anlægget med [ F. Khimush -anlægget med deltagelse af [ F. Khimush-fabrikken ] 7] .

Grundlaget for varmebestandige legeringer er som regel elementer i gruppe VIII i det periodiske system . Indtil 1940'erne var grundlaget for varmebestandige legeringer jern eller nikkel . En betydelig mængde krom blev tilsat for at øge korrosionsbestandigheden . Tilsætninger af aluminium , titanium eller niobium øgede krybemodstanden . I nogle tilfælde blev der dannet sprøde faser, såsom for eksempel M23C6 - carbider . I slutningen af ​​1940'erne ophørte brugen af ​​jern som basis for varmebestandige legeringer, og man begyndte at foretrække legeringer baseret på nikkel og kobolt . Dette gjorde det muligt at opnå en stærkere og mere stabil ansigtscentreret matrix .

I slutningen af ​​1940'erne blev muligheden for yderligere hærdning af varmebestandige legeringer opdaget ved legering med molybdæn . Senere begyndte tilsætningsstoffer af grundstoffer som wolfram , niobium , tantal , rhenium og hafnium at blive brugt til samme formål . (Se tantal-hafniumcarbid , selvom hafnium ikke danner sådanne karbider i varmebestandige legeringer, men øger styrke og duktilitet "mekanisk", hvilket får korngrænserne til at vride sig, den såkaldte "hafniumeffekt." Derudover deltager det i dannelsen af ​​yderligere mængder fase gamma prime [8] ).

Nikkelbaserede legeringer

I 1950'erne udviklede Pratt & Whitney og General Electric Waspaloy og M-252 legeringerne, legeret med molybdæn og beregnet til flymotorblade. Derefter blev legeringer som Hastelloy legering X, Rene 41 , Inconel udviklet , herunder Inco 718 , Incoloy 901 osv.

Ifølge ekspertvurderinger ændrede de kemiske sammensætninger af nikkel varmebestandige legeringer sig mest i perioden 1950-1980'erne på grund af indførelsen af ​​aluminium og elementer, der erstattede det i 'fasen. Dette førte til en stigning i volumenfraktionen af ​​'fasen fra 25-35 vol.% i Nimonic 80 og U-700 legeringer til 65-70 vol.% i moderne vingematerialer [6] .

Legering

Nikkelbaserede varmebestandige legeringer har som regel en kompleks kemisk sammensætning. Den indeholder 12 - 13 komponenter, omhyggeligt afbalanceret for at opnå de nødvendige egenskaber. Indholdet af urenheder som silicium (Si), fosfor (P), svovl (S), oxygen (O) og nitrogen (N) kontrolleres også. Indholdet af sådanne grundstoffer som selen (Se), tellur (Te), bly (Pb) og vismut (Bi) bør være ubetydeligt, hvilket sikres ved udvælgelse af ladningsmaterialer med et lavt indhold af disse grundstoffer, da det ikke er muligt at slippe af med dem under smeltning muligt. Disse legeringer indeholder typisk 10-12% chrom (Cr), op til 8% aluminium (Al) og titanium (Ti), 5-10% kobolt (Co), samt små mængder bor (B), zirconium (Zr ) (C) og carbon (C). Molybdæn (Mo), wolfram (W), niobium (Nb), tantal (Ta) og hafnium (Hf) tilsættes nogle gange .

Legeringselementerne i disse legeringer kan grupperes som følger:

  1. Elementer, der danner med Ni en austenitisk matrix med et ansigtscentreret krystalgitter - Co, Fe, Cr, Mo og W
  2. De grundstoffer, der danner forstærkningsfasen (Ni 3 X) er Al, Ti, Nb, Ta, Hf. I dette tilfælde er Ti, Nb og Ta en del af fasen og styrker den.
  3. Elementer, der danner korngrænsesegregationer - B, C og Zr

Carbiddannende elementer omfatter Cr, Mo, W, Nb, Ta og Ti. Al og Cr danner oxidfilm , der beskytter produkter mod korrosion.

Typisk kemisk sammensætning af bearbejdede nikkelbaserede varmebestandige legeringer [9]
Legering %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % andre
varer
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 -
Rene 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 sammensætning af nikkelbaserede støbte varmebestandige legeringer [10]
Legering %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % andre
varer
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 vægtprocent
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 % vægt
Rene 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 vægtprocent

Fasesammensætning

De vigtigste faser af varmebestandige legeringer omfatter:

  1. Gammafasen ( ) er fcc-matrixen. krystalgitter. Den faste opløsning af denne fase indeholder en stor mængde Co, Cr, Mo, W
  2. Gamma-prime- fasen (') danner partikler af et bundfald , som også har en fcc. krystalgitter. Denne fase omfatter elementer som Al og Ti. Volumenfraktionen af ​​denne fase, kohærent austenitisk matrix er ret stor
  3. Carbider. Kulstofindholdet i legeringerne er relativt lavt (0,05-0,2%). Den kombineres med hårdmetaldannende elementer - Ti, Ta, Hf
  4. Korn -grænse '-fase. Denne fase dannes i form af en film langs korngrænserne under varmebehandlingen .
  5. Borider Udmærket langs korngrænserne i form af sjældne partikler
  6. Faser etc. kl. (topologisk tætpakkede faser) har en lamellær morfologi . Eksempel: faser og Laves fase . Disse faser fører til skørhed af materialet og er uønskede.

Varmebehandling

Smedede nikkel-superlegeringer indeholder dispergerede bundfald af carbider af MC-typen i matrixen. Homogeniseringsudglødning gør det muligt at forberede matrixen for at opnå en ensartet fordeling af partikler i hærdningsfasen under efterfølgende ældning . For eksempel, for Inco 718 legering, vil homogeniseringsudglødning vare i 1 time ved 768°C, og ældning udføres i to trin: 8 timer ved 718°C og 8 timer ved 621°C. Efter homogeniseringsudglødning er det vigtigt at opretholde afkølingshastigheden for at forhindre udfældning af uønskede faser. Afkøling mellem stadierne af aldring udføres jævnt i 2 timer.

Varmemodstand

En af de faktorer, der bestemmer varmebestandigheden, er høj krybemodstand . Varmebestandigheden af ​​legeringer estimeres af grænserne for langvarig styrke eller krybning ved høje temperaturer og er først og fremmest forbundet med deres struktur og sammensætning. Efter struktur bør varmebestandige legeringer være flerfasede med stærke korn- og fasegrænser [2] . I nikkel varmebestandige legeringer sikres dette ved flerkomponentlegering. I dette tilfælde er højtemperaturstyrken af ​​legeringer jo højere, jo større volumenfraktion af forstærkningsfaser og jo højere deres termiske stabilitet, det vil sige modstand mod opløsning og koagulering med stigende temperatur.

Holdbarhed

Nikkel varmebestandige legeringer anvendes ved temperaturer på 760-980 °C. Støbte superlegeringer har høj langtidsstyrke ved højere temperaturer. For eksempel har MAR-M246 legeringen en langtidsstyrke på 124 MPa efter 1000 timer ved 982°C.

Varmebestandige nikkel-jernlegeringer anvendes ved temperaturer på 650-815 °C. Deres langsigtede styrke er meget lavere.

Langtidsstyrke af varmebestandige legeringer ved tre temperaturer, MPa [10]
Legering 650 °C
100 timer 		650°C
1000 timer 		815°C
100 timer 		815°C
1000 timer 		982 °C
100 timer 		982 °C
1000 timer
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

Monokrystallinske superlegeringer

I 1970-1980 begyndte brugen af ​​støbte varmebestandige legeringer opnået ved metoder til retningsbestemt krystallisation og nikkelbaserede enkeltkrystallegeringer . Brugen af ​​disse materialer (nikkelbaseret) gjorde det muligt at øge styrken og termisk holdbarhed af gasturbineblade.

Den kemiske sammensætning af varmebestandige legeringer
opnået ved metoder til rettet krystallisation [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 sammensætning af varmebestandige enkeltkrystallegeringer [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 % 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 -


Allerede den tidlige erfaring med at betjene vingerne på Jumo-004 gasturbinemotorer viste (forskning udført af K. Gebhardt, Krupp, Essen), at vingernes levetid i praksis bestemmes af udmattelsesstyrke, og det overvældende antal bladfejl er træthed [11] .

Legeringer baseret på kobolt

Så tidligt som i begyndelsen af ​​det 20. århundrede modtog  firmaet Haynes patenter på legeringer af Co-Cr og Co-Cr-W systemet Disse legeringer, kaldet " stellitter ", blev først brugt til fremstilling af skærende værktøjer. og slidbestandige dele. I 1930'erne blev støberiet Co-Cr-Mo legering til tandproteser Vitallium udviklet. En lignende sammensætning af HS-21 legering begyndte at blive brugt et årti senere i turbovarmere og gasturbiner. Samtidig begyndte de at bruge en legering af Co-Ni-Cr-systemet til styreskovle på gasturbinemotorer. I 1943  blev en støbelegering Co - Ni - Cr - W (X-40) udviklet, også brugt til fremstilling af vinger. I årene 1950-1970 blev der udviklet nye nikkel varmebestandige legeringer, fremstillet ved vakuumsmeltning og styrket ved udfældning af 'fasen. Dette har ført til et fald i brugen af ​​kobolt-baserede legeringer.

Funktioner af varmebestandige legeringer baseret på kobolt

Dispersionsforstærkede varmebestandige legeringer

Et vigtigt problem i udviklingen af ​​strukturelle materialer med øget styrke og duktilitet er at sikre deres stabilitet og ensartethed af fysiske og mekaniske egenskaber over hele driftstemperaturområdet fra kryogene til forsmeltningstemperaturer. På nuværende tidspunkt er den mest lovende måde at løse dette problem på at styrke basislegeringen med dispergerede nanopartikler af ildfaste oxider. Sådanne materialer kaldes ODS-legeringer (oxiddispersion-styrkede) [12] . ODS-legeringer er oftest baseret på austenitiske varmebestandige legeringer baseret på Ni, Cr og Fe. Ildfaste oxider af Al 2 O 3 , TiO 2 , ThO 2 , La 2 O 3 , BeO og Y 2 O 3 anvendes generelt som forstærkende partikler . ODS-superlegeringer opnås ved mekanisk legering, som omfatter følgende trin: 1) fælles formaling af pulvere af de oprindelige superlegeringskomponenter i kuglemøller med tilsætning af fint dispergerede ildfaste oxidkonglomerater; 2) at forsegle det afgassede pulver i en forseglet stålbeholder; 3) komprimering ved ekstrudering; 4) varmpresning; 5) zonerekrystallisation. ODS-superlegering (Inconel MA758) baseret på yttriumoxid Y 2 O 3 blev udviklet i 90'erne af forrige århundrede.

Diffusionsbelægninger

Da turbinevinger lavet af støbte varmebestandige legeringer fungerer ved høje temperaturer og i aggressive miljøer, bliver det nødvendigt at beskytte dem mod varm korrosion. Til dette formål anvendes to typer diffusionsbelægninger, de såkaldte. batch karburering og belægninger påført i gasfasen. Under belægningsprocessen beriges overfladelaget med aluminium, og nikkelaluminid dannes som belægningsmatrix.

Batch -karbureringsprocessen

Processen foregår ved en lavere temperatur (ca. 750 °C). Dele placeres i kasser med en blanding af pulvere: aktivt materiale, der indeholder aluminium og danner en belægning, en aktivator ( klorid eller fluorid ) og termisk ballast, såsom aluminiumoxid . Ved høje temperaturer dannes gasformigt aluminiumchlorid (eller fluorid), som overføres til produktets overflade. Derefter nedbrydes aluminiumklorid, og aluminium diffunderer dybt ind i volumenet. Den såkaldte. "grøn belægning", meget skrøbelig og tynd. Dette efterfølges af diffusionsudglødning ( adskillige timer ved temperaturer omkring 1080 °C). Dette danner den endelige belægning.

Gasfasebelægning

Processen foregår ved en højere temperatur på omkring 1080 °C. Det aktive materiale indeholdende aluminium er ikke i direkte kontakt med produktet. Der er heller ikke behov for termisk ballast. Processen er karakteriseret ved udadgående diffusion. Diffusionsudglødning er også påkrævet.

Plasma Coatings

En mere moderne klingebeskyttelsesteknologi er plasmasprøjtning af termiske barrierebelægninger . Som regel består en termisk barrierebelægning af flere lag - et underlag, et MeCrAlY- lag, et keramisk lag ( yttrium-stabiliseret zirconiumoxid bruges ofte ). Vakuum- eller atmosfærisk plasmasprøjtning er certificeret til forskellige motorer, dog udføres alle moderne udviklinger på atmosfærisk plasma, da det er billigere i drift.

Se også

Noter

  1. ↑ Nikolaev A. K., Kostin S. A. Håndbog "Kobber og varmebestandige kobberlegeringer" . "Kobber og varmebestandige kobberlegeringer" encyklopædisk terminologisk ordbog: en grundlæggende opslagsbog . DPK Press (2012).
  2. ↑ 1 2 Luftfart. Encyklopædi. M.: Great Russian Encyclopedia, 1994, s. 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 og 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
  5. ↑ Rapport om besøg i Tyskland og Østrig for at undersøge legeringer til brug ved høj 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, s. 293-307
  7. ↑ Tumanov A. T. , Shalin R. E., Starkov D. P. Luftfartsmaterialevidenskab. - i bogen: Udvikling af luftfartsvidenskab og -teknologi i USSR. Historiske og tekniske essays. M.: Nauka, 1980, s. 332-334
  8. ↑ Superlegeringer II, udg. Sims, Stoloff, Hagel. Oversættelse til russisk sprog. M., Metallurgy, 1995, bind 1, s. 29
  9. ↑ http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html Arkiveret 8. januar 2017 på Wayback Machine
  10. ↑ 1 2 3 4 Superlegeringer . Hentet 29. august 2007. Arkiveret fra originalen 8. januar 2017.
  11. ↑ Rapport om besøg i Tyskland og Østrig for at undersøge legeringer til brug ved høje temperaturer/ - BIOS Final Report No 396. London 1946, s. 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 nanostruktureret superlegering. Akustiske og mekaniske egenskaber i temperaturområdet 4,2–310 K,  Metallofiz . nyeste tehnol . - 2013. - T. 35 , no. 2 . - S. 225-231 .

Litteratur