Жароміцні́ спла́ви або суперспла́ви () — сплави на нікелевій, залізохромонікелевій, кобальтовій, танталовій або змішаній основі, що відзначаються високим опором пластичній деформації та руйнуванню в умовах високих температур та окиснювальних середовищ.
Основними фізико-механічними характеристиками жароміцних сплавів є значний опір повзучості, втомлюваності, а також, висока тривала міцність.
Природа жароміцності Висока жароміцність сплавів визначається двома основними фізичними чинниками — міцністю міжатомних зв'язків в сплаві і його структурою. Зазвичай необхідну для високої міцності структуру отримують термічною обробкою (гомогенізувальним гартуванням і старінням металів), що приводить до гетерогенізації мікроструктури, а також у процесі легування тугоплавкими хімічними елементами (вольфрамом, молібденом, ванадієм) і елементами-зміцнювачами (титаном, алюмінієм, ніобієм, бором). В цьому випадку зміцнення обумовлене головним чином появою в сплавах рівномірно, розподілених вельми дрібних часток хімічних сполук (інтерметалідів, карбідів та ін.) і мікроспотвореннями кристалічної решітки основи сплаву, викликаними наявністю цих часток. Відповідна структура жароміцного сплаву утрудняє утворення і рух дислокацій, а також підвищує кількість зв'язків між атомами, що одночасно беруть участь в опорі деформації. З іншого боку, високе значення величини міжатомних зв'язків дозволяє зберегти необхідну структуру при високих температурах протягом тривалого часу.
Крім того, високу жароміцність забезпечують, зменшуючи вміст свинцю, олова, сурми, вісмуту і сірки, додаючи рафінуючі елементи (кальцій, церій, барій і бор). Якщо вироби з жароміцних сплавів призначені для тривалої експлуатації при температурі понад 800 °С, їхню поверхню додатково піддають дифузійній термохімічній обробці (алітуванню, хромоалітуванню, емалюванню, нанесенню тугоплавких оксидів тощо). Різновидом жароміцних сплавів є композити: сплави, зміцнені дисперсними частинками тугоплавких оксидів або високоміцними волокнами. Такі матеріали характеризуються надзвичайно високою стабільністю властивостей, мало залежних від часу перебування в умовах високих температур.
Класифікація та використання Жароміцні сплави застосовують для виготовлення деталей двигунів внутрішнього згоряння, парових і газових турбін, авіаційних, суднових і залізничних газотурбінних двигунів, в енергетичному машинобудуванні, тощо.
Жароміцні сплави за умовами роботи можна розділити на 3 групи: сплави, які піддаються значним, але короткочасним (від секунд до годин) механічним навантаженням в умовах високих температур; сплави, які знаходяться під навантаженням при високих температурах протягом десятків і сотень годин; сплави, які призначені для роботи в умовах великих навантажень і високих температур протягом тисяч, десятків, а інколи сотень тисяч годин.
Залежно від цього істотно змінюються вимоги до структури сплаву. Наприклад, будь-яка причина, що обумовлює нестійкість структури сплаву за робочих умов, викликає прискорення процесів деформування й руйнування. Тому сплави, що призначені для тривалої служби, піддаються спеціальній стабілізуючій обробці, яка, хоча і може привести до деякого зниження міцності при короткочасному вантаженні, робить сплав стійкішим до тривалої дії навантажень.
Жароміцні сплави класифікують також, за їх основою: нікелеві, залізні, титанові, берилієві тощо. Назва за основою дає уявлення про інтервал робочих температур, який залежно від прикладених навантажень і тривалості їх дії складає 0,4–0,8 від температури плавлення основи. Залежно від призначення жароміцні сплави виготовляють з підвищеним опором втомі і ерозії, з малою чутливістю до надрізів, термостійкі, для експлуатації при значних, але короткочасних навантаженнях та ін. Наприклад, жароміцні сплави, що використовуються у космічній техніці, повинні мати низьку випаровуваність.
Жароміцні сталі Перші жароміцні сталі для газотурбінних двигунів були створені у Німеччині компанією «AG Krupp» у 1936–1938 роках. Високолегована аустенітна сталь тінідур створювалась як матеріал робочих лопаток турбіни на температури 600–700 °C. Тінідур — аустенітна сталь з дисперсним твердненням (Ni3Ti) і карбідним зміцненням. У 1943–44 роках річне виробництво сталі тінідур становило 1850 тонн. Інститутом DVL ( — Німецький науково-дослідний інститут авіації) і фірмою «Heraeus Vacuumschmelze AG» були розроблені аустенітні сталі DVL42 та DVL52 для вищих робочих температур 750–800 °C. Склади сталей подані у таблиці.
Хімічні склади німецьких аустенітних жароміцних сталей для газотурбіних двигунівLuft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275–279Pomp A., Krisch A. Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 und 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for Use at High Temperature. BIOS Final Report N 396, London, 1946
+Назва%C%Mn%Si%Ni%Co%Cr%Mo%W%Ti%Al% ін. елементів Тінідур до 0,14 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14,5-15,5 1,8-2,2 0,2 Feоснова DVL42 до 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1,5-2,0 Feоснова DVL52 до 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 4-5%Ta Хромадур 0,9-0,12 17,5-18,5 0,55-0,7 11,0-14,0 0,7-0,8 V 0,60-0,700,18-0,23 N2+
В Німеччині у 1940-х роках розробники авіаційних ГТД прагнули підвищити температуру газу перед турбіною до 900 °C. З цією метою інститут DVL спільно з низкою фірм експериментував з аустенітними складнолегованими сплавами. У ході війни була визнана неможливість подібного рішення по причині гострого дефіциту в Німеччині легувальних елементів. Перші серії реактивного двигуна «Jumo-004» випускались з 1942 року з монолітними робочими і сопловими лопатками з матеріалу тінідур. Згодом їх замінили пустотілі лопатки з охолодженням з того ж матеріалу, що дозволило підвищити температуру газу перед турбіною до 850 °C (серія «Jumo-004E»). З 1944 року на двигуні «Jumo-004» використовувались робочі лопатки з охолодженням з менш дефіцитної сталі хромадур.
Наприкінці 1940-х років припинилось, в основному, використання заліза як основи жароміцних сплавів, на користь сплавів на основі нікелю і кобальту. Це дозволило отримати міцнішу і стабільнішу гранецентровану матрицю.
Сучасні жароміцні сталі класифікують за температурою експлуатації. Для роботи при 500–550 °С використовують сталі марок 20X13, 15X11МФ, 13Х14НЗВ2ФРГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки., з яких виготовляють лопатки парових турбін, важконавантажені деталі (диски, вали, стяжні болти), що працюють в умовах підвищеної вологості.
Для роботи при 650–850 °С застосовують сталі марок 40Х9С2, 40Х10С2Н, 45Х14Н14В2М, з яких виготовляють клапани автомобільних і тракторних двигунів, трубки рекуператорів, теплообмінники.
Жароміцні сплави на основі нікелю
До 1942 року у Великій Британії створено жароміцний сплав німонік-80 (80 % Ni — 20 % Cr) — перший у серії високожароміцних дисперсно-тверднучих сплавів на нікель-хромовій основі. Творець сплаву — Вільям Гріффітс ()High-Temperature Alloys // Aviation History. 1947, Oct. 30. Ключовими легувальними елементами сплаву німонік-80 були титан (2,5 %) і алюміній (1,2 %), що утворювали зміцнювальну фазу. Кількісний вміст зміцнюючої γ'''-фази у сплаві становив 25–35 % за об'ємомGiamei A. F., Pearson D. D., Anton D. L. Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293–307. Сплав виявив помітну перевагу за жароміцністю над ніхромами чи спеціальними легованими сталями.
Сплави Nimonic-80 та 80A використовувались в деформованому стані для виготовлення робочих лопаток турбіни одного з перших газотурбінних двигунів «Rolls-Royce Nene» компанії «Rolls-Royce Limited», стендові випробування якого розпочались у жовтні 1944 року. Лопатки турбіни із сплаву Nimonic-80 відрізнялись високою тривалою міцністю за температура 750–850 °C. Хімічний склад наступних марок сплавів типу «німонік» подані у нижче приведеній у таблиці.
Аналогами німоніків у США є сплави Інконель, за ГОСТ 5632-72 — це сплави ХН60ВТ (Inconel 600, Inconel 601), ХН56МВКЮ (Inconel 617), ХН75МБТЮ (Inconel 625), ХН60Ю (Inconel 718), ХН70МВТЮБ (Inconel X-750), ХН80ТБЮ, ХН77ТЮ, ХН73МБТЮ тощо.
Тоді ж була виявлена можливість додаткового зміцнення жароміцних сплавів шляхом легування молібденом. Згодом, з цією ж метою почали використовувати добавки таких елементів, як вольфрам, ніобій, тантал, реній та гафнійСуперсплавы II / Под ред. Симса, Столоффа, Хагеля. Перевод на русский язык. М., Металлургия, 1995, т 1, стр. 29).
Легування Легувальні елементи у жароміцних сплавах на основі нікелю можна згрупувати наступним чином: Елементи, що утворюють з Ni аустенітну -матрицю з гранецентрованою кристалічною ґраткою — Co, Fe, Cr, Mo і W Елементи, що утворюють зміцнювальну ' фазу (Ni3X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При цьому Ti, Nb і Ta входять до складу фази й зміцнюють її. Елементи, що утворюють сегрегації на границях зерен —B, C і Zr.
До карбідоутворюючих елементів належать Cr, Mo, W, Nb, Ta і Ti. Al і Cr, котрі утворюють оксидні плівки, що захищають вироби від корозії.
Типовий хімічний склад деформівних жароміцних сплавів на нікелевій основіH. K. D. H. Bhadeshia Nickel Based Superalloys +Сплав%Ni%Cr%Co%Mo%Al%Ti%Nb%C%BZr% ін. елементів 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 - -+
Типовий хімічний склад ливарних жароміцних сплавів на нікелевій основі +Сплав%Ni%Cr%Co%Mo%Al%Ti%Nb%C%BZr% ін. елементів 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 0,101,7% Ta, 3,6% W 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%W+
Фазовий склад До основних фаз жароміцних сплавів належать: Гамма-фаза () є матрицею з ГЦК кристалічною ґраткою. У твердому розчині цієї фази міститься значна кількість Co, Cr, Mo, W. Гамма-штрих фаза (') утворює частинки преципітату, що також має ГЦК кристалічну ґратку. У цю фазу входять такі елементи, як Al та Ti. Об'ємна частка цієї фази, когерентної до аустенітної матриці є досить великою. Карбіди. Вміст вуглецю у сплавах відносно невеликий (0,05–0,2 %). Він сполучається з карбідотвірними елементами — Ti, Ta, Hf Зерногранична '-фаза. Ця фаза утворюється у вигляді плівки по границях зерен в процесі термічної обробки. Бориди Виділяються на границях зерен у вигляді рідкісних частинок. Фази топологічно щільно упаковані мають пластинчасту морфологію. Приклад: фази , і фаза Лавеса. Ці фази спричиняють окрихчення матеріалу і є небажаними.
Сплави на основі кобальту
Ще на початку XX століття компанією «Гейнс» () були отримані патенти на сплави системи Co-Cr та Co-Cr-W. Ці сплави, що отримали назву «стеліти» використовувались при виготовленні різального інструменту та зносостійких деталей. В 1930-х роках було розроблено ливарний Co-Cr-Mo сплав віталіум (Vitallium®'') для зубного протезування. Аналогічний за складом сплав HS-21 став використовуватись десятиліття по тому в турбонагнітачах і газових турбінах. Тоді ж почали використовувати сплав системи Co-Ni-Cr для напрямних лопаток газотурбінних двигунів. У 1943 році було розроблено ливарний сплав системи Co-Ni-Cr-W (X-40), що також знайшов застосування при виготовленні лопаток. У 1950–1970 роки було розроблено нові нікелеві жароміцні сплави, виготовлені шляхом вакуумного плавлення і зміцнювані за рахунок виділення фази '. Це привело до зменшення використання сплавів на основі кобальту.