Никелевые суперсплавы: технологии, металлургия, достижения и применения

Суперсплавы, или сплавы высокой производительности, — это материалы, способные сохранять свои свойства при экстремальных температурах, что отличает их от традиционных металлов, таких как сталь и алюминий. Никелевые суперсплавы выбираются за их исключительные характеристики, такие как прочность при высоких температурах, ударная вязкость и устойчивость к разрушению в коррозионных средах. Их заметные свойства включают сопротивление креепированию, стабильность поверхности и стойкость к окислению, что делает их идеальными для применения в аэрокосмической отрасли, турбинах для генерации энергии, ракетных двигателях и ядерных установках. В последние годы рост производства суперсплавов привел к повышению температур втягивания в турбинах, что, по прогнозам, продолжится. Современные суперсплавы способны выдерживать температуры около 1050°C и иногда достигают 1200°C, что составляет примерно 90% их температуры плавления. Повышение рабочих температур в газовых турбинах и реактивных двигателях, наряду с улучшенной эффективностью, способствует снижению выбросов углекислого газа.

 

Введение

Суперсплавы разрабатываются для сохранения своих свойств при крайне высоких температурах, в отличие от традиционных материалов. Термин "суперсплав" впервые был использован вскоре после Второй мировой войны для описания сплавов, предназначенных для турбонагнетателей и турбинных двигателей самолётов, которые требовали высокой производительности при повышенных температурах. Со временем применение суперсплавов расширилось, охватывая области, такие как газовые турбины, ракетные двигатели, химическая переработка и нефтепереработка, благодаря их замечательной способности сохранять прочность даже выше 650°C. Эта универсальность объясняется сочетанием высокой прочности, хорошей пластичности при низких температурах и отличной стабильности поверхности.

 

Никелевые суперсплавы представляют собой сложные многокомпонентные сплавы, состоящие из никеля, смешанного с различными количествами хрома, молибдена, вольфрама, ниобия, алюминия, титана и других элементов, направленных на достижение желаемых прочностных и защитных характеристик. Разработка этих сплавов продолжается с начала 1940-х годов.

 

В 1950-х годах произошли значительные достижения, которые преобразовали кованые лопасти в литые, а затем в направленно кристаллизованные и монокристаллические лопасти, что увеличило допустимые температуры металла на 250°C. Охлаждающие технологии практически удвоили температуры газового топлива в турбинах. Важной инновацией стало выравнивание зерен сплава в монокристаллических лопастях, что улучшает контроль над упругими свойствами и частотами вибрации.

 

Никелевые сплавы делятся на типы, укреплённые раствором и осадками. Упрочнённые раствором сплавы, такие как Hastelloy X, подходят для менее требовательных приложений, тогда как сплавы, упрочнённые осадками, нужны для высокотемпературных условий, таких как лопасти турбин. Обычно эти сплавы содержат от 10% до 20% хрома, до 8% алюминия и титана, а также следовые количества других элементов.

 

Суперсплавы играют ключевую роль в турбинных двигателях, так как повышенная тепловая эффективность коррелирует с высокими температурами входа турбины. Обычно они могут работать при температурах до 70% от своей абсолютной температуры плавления и демонстрируют отличные свойства, такие как сопротивление креепированию, коррозии и стабильности поверхности.

 

Основы никелевых суперсплавов

Никелевые суперсплавы достигают прочности через упрочнение раствором или осадками. Сплавы, упрочнённые раствором, используются в камерах сгорания благодаря их устойчивости к коррозии и хорошей свариваемости, хотя обладают более низкой механической прочностью. Сплавы, упрочнённые осадками, необходимы для приложений, требующих прочности при высоких температурах, что типично для лопастей турбин.

 

Эти суперсплавы могут работать при температурах, близких к температуре плавления, что даёт им преимущества по сравнению с суперсплавами на основе кобальта и железа-никеля.

 

Классификация суперсплавов

 

Суперсплавы — это жаропрочные сплавы никеля, никель-железа или кобальта, которые сочетают высокую механическую прочность с устойчивостью к разрушению поверхности. Они демонстрируют отличную механическую прочность и сопротивление креепированию, обычно обладая аустенитной кубической кристаллической структурой с центрацией по граням. Их развитие сильно зависит от химических и технологических инноваций, в основном движимых авиационной и энергетической отраслями, с применением в лопастях турбин для реактивных двигателей.

 

Микроструктура никелевых суперсплавов

Гамма (γ) Фаза

γ-фаза служит в качестве непрерывной матрицы, характеризующейся как кубическая с центрацией по граням (fcc) никелево-основной аустенитной фазой. Ключевые легирующие элементы, такие как кобальт, железо и хром, способствуют стабильности фазы. Основная укрепляющая фаза, Ni3(Al,Ti) или γ', — это когерентная осадочная фаза, совпадающая с кристаллическими плоскостями γ-матрицы, что обеспечивает стабильность и позволяет равномерно осаждаться внутри матрицы.

Предельная прочность γ' увеличивается с температурой до примерно 650°C, а его хорошая пластичность повышает общую прочность матрицы без ущерба для её устойчивости. Алюминий и титаны добавляются для достижения высоких объемных долей осадков γ', при этом в некоторых современных сплавах их доля составляет около 70%.

Гамма двойного осадка (γ'')

В никелево-ниобиевых сплавах может образовываться телоцентрированная тетрагранная (BCT) структура Ni3Nb, которая когерентна γ-матрице, но имеет деформационное напряжение около 2,9%. Эта фаза демонстрирует значительную прочность при низких температурах, но становится нестабильной примерно при 650°C.