5. Никель и его сплавы

Ключевые слова: никель, жаростойкие, жаропрочные и специальные сплавы, γ'-фаза, порошковые и гранулированные сплавы.

Никель относится к переходным металлам с ГЦК решеткой, имеет плотность 8,907 г/см³, температуру плавления 1455 °С, обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и достаточно устойчив к коррозии в морской воде. Его широко используют в качестве основы для создания жаростойких и жаропрочных сплавов, которые позволяют успешно эксплуатировать многие детали авиационной техники при температурах до 1100 °С. К ним относятся детали камеры сгорания, форсажной камеры, турбины и сопла. В высоконапорных компрессорах авиационных двигателей никелевые сплавы можно применять для изготовления наиболее нагретых деталей последних ступеней компрессоров. В настоящее время 60…70 % массы авиационных двигателей приходится на долю жаропрочных никелевых сплавов.

5.1. Классификация и маркировка никелевых сплавов

Никелевые сплавы классифицируют по следующим признакам.

1. По способу производства заготовок различают литейные, деформируемые и диспергированные сплавы.

2. По свойствам сплавы подразделяют на жаростойкие, жаропрочные и специальные (с особыми физическими свойствами).

3. В зависимости от области применения различают сплавы для лопаток, для дисков газовых турбин и для деталей основных и форсажных камер сгорания и сопел авиационных двигателей.

Маркировка никелевых сплавов аналогична маркировке сталей. Буквами обозначают легирующие элементы сплавов: X – хром, Н – никель, Т – титан, Ю – алюминий, В – вольфрам, Р – бор, М – молибден, Б – ниобий, К – кобальт, Ф – ванадий. В начале марки стоит буква «X», за ней следуют буква «Н» и цифра, указывающая среднее содержание никеля в сплаве, и далее буквы в порядке, соответствующем уменьшению среднего содержания в сплаве легирующих элементов, которые эти буквы обозначают. Так, сплавы ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ, ХН55ВМТФКЮ содержат соответственно 77, 56 и 55 % Ni. Имеются также другие обозначения этих сплавов – соответственно ЭИ437Б, ЭП109, ЭИ929.

Высоколегированные жаропрочные сплавы относят к группе ЖС, например ЖС6КП, ЖС6У, ЖС6Ф. Направленную кристаллизацию обозначают буквами «НК» в конце марки, монокристаллы – буквами «МОНО», а высокоскоростную направленную кристаллизацию – буквами «ВСНК», например ЖС6ФНК, ЖС6ФМОНО. Диспергированные сплавы обозначают буквой «П» в конце марки, например ЭП741П.

5.2. Жаростойкие никелевые сплавы

Для изготовления деталей основной и форсажной камер сгорания и сопел авиационных двигателей широко применяют деформируемые жаростойкие никелевые сплавы. Эти сплавы должны обладать высокой жаростойкостью, достаточной прочностью и жаропрочностью, хорошей пластичностью, свариваемостью. Эти требования удовлетворяют путем рационального легирования никеля, термической обработкой и применением жаростойких эмалевых и керамических покрытий на основе оксидов алюминия и хрома.

Основой жаростойких никелевых сплавов является система Ni – Cr (рис. 5.1). Высокая жаростойкость достигается при содержании хрома не менее 20...25 %. Она связана с образованием под внешним слоем NiO второго слоя оксидной пленки Cr₂O₃ и NiO x Cr₂O₃.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния системы Ni – Cr

В авиационных двигателях применяют достаточно жаростойкие и технологичные сплавы ХН60ВТ (ВЖ98), ХН50ВМТЮБ (ЭП648), ХН68ВМТЮК (ЭП693), ХН56ВМТЮ (ЭП199) (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Химический состав жаростойких никелевых сплавов, %

Марка сплава	Cr	W	Ti	Al	Мо	γ'Σ, % (об.)
ХН60ВТ ХН50ВМТЮБ* ХН68ВМТЮК* ХН56ВМТЮ	23…26 23,5 17…20 19…22	13…16 4,8 5…7 9…11	0,3…0,7 0,8 1,1…1,6 1,1…1,6	≤0,5 0,8 1,6…2,3 2,1…2,6	– 2,8 3…5 4…6	0 10 12 15

* Сплав ХН50ВМТЮБ дополнительно содержит 0,8 % Nb, сплав ХН68ВМТЮК – 5…8 % Co.

Наличие γ'-фазы, повышая жаропрочность, ухудшает технологичность сплавов, снижает теплопроводность, свариваемость, придает сплавам склонность к образованию трещин при сварке. После сварки сплавы ХН50ВМТЮБ и ХН68ВМТЮК подвергают термической обработке.

Недостатком сплавов ХН50ВМТЮБ и ХН68ВМТЮК является склонность к образованию горячих трещин при сварке и термической обработке, необходимость термообработки узлов после подварки дефектов при ремонте.