4. Никелевые и железоникелевые сплавы

При температурах эксплуатации свыше 700⁰С возникает необходимость использовать взамен сталей жаропрочные сплавы на никелевой или железоникелевой основах. Это сплавы, обладающие одновременно высокой жаропрочностью и жаростойкостью, содержат в определенных сочетаниях большое количество легирующих элементов (никель, кобальт, железо, титан, хром, цирконий, ванадий, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, рений и др.) и являются высоколегированными. Количество вводимых элементов составляет от 10 до 15.

Никель составляет основу современных жаропрочных и жаростойких сплавов. Никель — серебристо-белый металл. Удельный вес 8,902 г/см³, Температура плавления 1453°С,  имеет  гранецентрированную кубическую решетку. Ферромагнетик.

В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением, имеет следующие физико-механические свойства:

удельное электрическое сопротивление 0,0684 мкОм∙м;

коэффициент линейного теплового расширения α=13,5∙10⁻⁶ K⁻¹ при 0 °C;

 коэффициент объёмного теплового расширения β=38—39∙10⁻⁶ K⁻¹;

модуль упругости 196—210 ГПа.

Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей защитным действием. 

К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никелевой основе (содержания никеля не менее 50 %).  

К сплавам на железоникелевой основе отнесены сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе (сумма никеля и железа более 65 % при приблизительном отношении никеля к железу 1:1,5).  Жаропрочные сплавы (ЖС) систем Ni – Cr, Ni – Cr – Fe и Ni – Cr – Al – Ti, Ni – Cr – Al – Co – наиболее важные группы сплавов на основе никеля. Сплавы ЖС широко используют в современных газотурбинных авиационных двигателях, наземных газотурбинных установках: из них изготавливают лопатки и диски турбин, направляющие лопатки и камеры сгорания. Эти сплавы также широко используют в агрегатах металлургической промышленности, котлостроении, двигателях внутреннего сгорания, аппаратах нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Большинство никелевых сплавов поликристаллические. Деформация ползучести в таких материалах развивается, благодаря перемещению дислокаций в зернах, зернограничному скольжению и диффузионному перемещению. Перемещение дислокаций при температурах выше 0,3Т_пл происходит двумя путями - скольжением и переползанием. При нагреве имевшиеся вокруг дислокации скопление атомов легирующих элементов и примесей растворяются, и это облегчает скольжение.

Переползание дислокаций обеспечивается их взаимодействием с вакансиями, благодаря этому отдельные участки дислокаций смещаются в отдельные области кристалла. Нагрев ускоряет диффузионный приток вакансий и облегчает переползание.

Зернограничное скольжение представляет собой сдвиг зерен друг относительно друга вдоль общих границ в узкой пограничной области. Скольжение развивается под действием касательных напряжений. Деформация скольжения тем больше, чем меньше зерна.

Диффузионный перенос связан с перемещением вакансий вдоль границ и внутри зерен. Под действием растягивающих напряжений уменьшается энергия образования вакансий. На границе между двумя растянутыми зернами концентрация вакансий увеличивается и они перемещаются в зоны, где их концентрация меньше. Потоку вакансий соответствует встречный поток атомов, поэтому у растянутых границ количество атомов увеличивается и зерна удлиняются. Перенос атомов происходит и по объему зерен, однако вклад объемной диффузии незначителен и играет роль лишь при высоких температурах около 0.9Т_пл, а действие зернограничной диффузии существенно уже при 0,4-0,6 Т_пл.

Поликристаллические никелевые сплавы эксплуатируются при темпе­ратурах порядка 850 °С, что составляет чуть больше, чем 0,7 от темпера­туры плавления сплава (1280°С). Дальнейшее увеличение рабочих температур достигается методами направленной кристаллизации. Такие никелевые сплавы имеют рабочие температуры, составляющие 0,9 от температуры плавления. Для изготовления рабочих и сопловых лопаток применяют литейные сплавы ЖС6К,ВЖЛ-12У при температуре эксплуатации 950-1000⁰, ЖС6УВИ, ЖС6Ф, ЖС26ВИ, ЖС30, ЖС32 и др. при 1050-1100⁰.

Легирующие эле­менты в никелевых сплавах могут быть разделены на несколько категорий:

 элементы, образующие с никелем твердые растворы, упрочняющие матричную -фазу (Со, Сг, Mo,W, Fe);

 элементы, образующие с никелем интерметаллидные соединения -'-фазу (Al, Ti, Mb, Та, Hf);

 элементы, образующие карбидные соединения (Cr, Mo, W, Nb, Та, Ti); элементы, улучшающие литейные свойства, свариваемость, деформи­руемость и т.д. (С, V,);

 элементы, рафинирующие сплав и способствующие форми­рованию мелкозернистой структуры (В, Zr, Hf, Y, редкоземельные эле­менты).

Основными фазами, присутствующими в никелевых сплавах, являются:

-фаза, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Обычно представляет собой твердый раствор с такими элементами, как хром, молибден, вольфрам;

'-фаза - основная упрочняющая фаза никелевых сплавов типа Ni₃(Al, Ti), когерентно связана с -фазой. Интересно, что предел текуче­сти '-фазы увеличивается с ростом температуры начиная с 650 °С. '-фаза является достаточно вязкой, что придает сплаву жаростойкость и прочность без охрупчивания материала. С увеличением объемной доли '-фазы повышается жаростойкость. В современных сплавах доля '-фазы достигает 70 %. Имеется множество факторов, определяющих упроч­няющий эффект '-фазы, - это размер ее частиц, содержание легирующих элементов, объемная доля и т.д.

Карбидные фазы. Содержание углерода в никелевых сплавах состав­ляет 0,05 ... 0,2 %. При его взаимодействии с карбидообразующими эле­ментами формируются карбиды типа TiC, TaC или HfC. При последую­щей термической обработке эти исходные карбиды преобразуются в формы с меньшим содержанием углерода, такие, как Ме₂зС₆ и Ме₆С. Они имеют тенденцию к выделению на границах зерен, результатом чего яв­ляется увеличение прочности на растяжение при высоких температурах.

Топологические плотноупакованные фазы.К ним относятся -фаза, -фаза, фазы Лавеса. Эти фазы в отличие от' выделяются в форме пла­стин. На металлографических шлифах они видныкак иглы. Фазы пла­стинчатой формы негативно сказываются на механических свойствах никелевых сплавов, в частности вязкости и сопротивлении ползучести, и способствуют инициированию трещин, вследствие своей хрупкости.