Представленные здесь сплавы трудно разделить на дальнейшие подкатегории из-за уникальных свойств никеля. Его сплавы являются чрезвычайно универсальными и обычно имеют более одного применения, причем многие из этих применений обусловлены именно этой универсальностью.

Например, невозможно провести четкое разграничение между сплавами, устойчивыми к коррозии, вызванной агрессивной средой, и сплавами, устойчивыми к коррозии, вызванной повышенным окислением при высокой температуре. А в химической промышленности используется арматура из никелевых сплавов именно потому, что обе эти характеристики присутствуют одновременно.

Аналогичным образом, в настоящее время не существует строгих критериев для разделения сплавов и суперсплавов на жаропрочные и жаростойкие.

Это приводит к тому, что некоторые ставки относятся к разным группам, хотя на самом деле они очень похожи друг на друга.

Конечно, отдельные стопы могут быть спроектированы с учетом конкретных потребностей и ни в коем случае не являются идентичными друг другу.

Например, Hastelloy N может использоваться в качестве коррозионно-стойкого, жаропрочного или жаростойкого суперсплава. Однако он обладает одной отличительной особенностью, а именно превосходной стойкостью к воздействию горячих солей фтористоводородной кислоты.

Отдельной категорией являются суперсплавы, главной особенностью которых является жаропрочность.

Все содержащиеся здесь сплавы являются коррозионно-стойкими, жаропрочными и/или жаростойкими.

Использование коррозионно-стойких и/или жаропрочных никелевых сплавов

Никелевые сплавы, указанные в этой категории, находят применение, в частности, в следующих отраслях промышленности:

В энергетике из них изготавливают лопатки, сопла и межступенчатые перегреватели паровых турбин.
В автомобильной промышленности из них производят турбокомпрессоры, свечи зажигания, выпускные клапаны для поршневых двигателей.
Их жаропрочность находит применение в предприятиях по переработке металлов, где из них изготавливают инструменты и матрицы для работы в горячем состоянии, муфты печей, ленты конвейеров, корзины и другое оборудование для термообработки.
Они широко используются в авиации, где из них изготавливают элементы газовых турбин, в том числе сопла, диски, камеры сгорания, выхлопные системы, лопатки, форсажные камеры, тяговые реверсы и корпуса.
В стоматологической медицине они входят, среди прочего, в состав протезов и инструментов.
В космонавтике они используются для изготовления элементов ракетных двигателей и покрытий.
В химической и нефтехимической промышленности, а также в бумажной промышленности из него производят элементы широко понимаемой арматуры (хлораторы, трубы, насосы, резервуары, вентиляторы).

Легирующие добавки сплавов никеля и суперсплавов

Сплавы никеля значительно различаются по составу. В эту группу входят продукты из практически чистого никеля и сложные сплавы, содержащие 10 и более легирующих добавок.

Какое влияние на содержание никеля могут оказывать отдельные добавки?

Титан – Стабилизирует фазу γ. Компонент сегрегационного упрочнения. Образует интерметаллическую фазу γ’, но вызывает образование карбидов, нестабильных при отжиге или длительной работе при высокой температуре.
Тантал – Стабилизирует фазу γ. Образует интерметаллическую фазу γ’, но вызывает образование карбидов, нестабильных при отжиге или длительной работе при высокой температуре.
Железо – Дешевле никеля и может в определенной степени заменять его, в том числе в жаропрочных сплавах, при этом снижая жаростойкость. Может добавляться для получения заданной тепловой расширяемости сплава. Почти полный
Хром – Повышает стойкость к окислению при высоких температурах, упрочняет матрицу сплава и улучшает механические свойства. Является основным легирующим элементом в плане противодействия газовой коррозии. Практически все суперсплавы содержат хром.
Титан – Стабилизирует фазу γ. Образует интерметаллическую фазу γ’ и вызывает образование карбидов. Похоже, что более высокое содержание титана в сплаве также положительно влияет на стойкость непокрытых суперсплавов к газовой коррозии. Компонент сегрегационного упрочнения.
Алюминий – Повышает стойкость к окислению и сульфидации, а также влияет на образование упрочняющих интерметаллических фаз γ’ (часто в сочетании с титаном). Повышает стойкость к высокотемпературной коррозии, а также, по-видимому, к газовой коррозии непокрытых суперсплавов.
Бор – В низких концентрациях повышает жаропрочность, влияя на морфологию границ зерен. Применяется в основном для никелевых и железоникелевых суперсплавов.
Цирконий – В низких концентрациях повышает жаропрочность и снижает хрупкость при высоких температурах, влияя на морфологию выделений на границах зерен. Применяется в основном для никелевых и железоникелевых суперсплавов.
Гафний – В низких концентрациях повышает жаропрочность и снижает хрупкость при высоких температурах, влияя на морфологию выделений на границах зерен. Не применяется к суперсплавам кобальта.
Железо – Усиливает раствор, устойчивый в суперсплавах никеля. Снижает жаростойкость. Практически полностью растворяется с никелем.
Кобальт – Повышает жаропрочность, благоприятно влияет на твердый раствор γ, снижает растворимость в матрице алюминия и титана. В качестве добавки в никелевых суперсплавах повышает температуру плавления γ’ и стойкость к сульфидации.
Itr – Повышает стойкость к газовой коррозии в суперсплавах железа и никеля. Повышает стойкость к высокотемпературному окислению в суперсплавах никеля.
Лантан – Имеет сходное действие с итром.
Cer – В низких концентрациях повышает термостойкость никелевых суперсплавов, уменьшая окисление при высоких температурах.
Ванадий – образует фазу γ’, но вызывает образование карбидов, нестабильных при отжиге или длительной работе при высокой температуре.
Ниобий – Упрочняет раствор кобальтовых сплавов. Компонент сегрегационного упрочнения никелевых сплавов. Образует интерметаллическую фазу γ’, но вызывает образование карбидов, нестабильных при отжиге или длительной работе при высокой температуре.
Тантал – Стабилизирует фазу γ. Для никелевых суперсплавов: повышает жаропрочность, образует интерметаллическую фазу γ’ и вызывает образование карбидов, нестабильных при отжиге или длительной работе при высокой температуре.
Молибден – Усиливает стабильность раствора γ. Вызывает образование карбидов.
Вольфрам – Укрепляет твердый раствор. Вызывает образование карбидов.
Марганец – Нежелательный компонент.
Никель – Укрепляет матрицу суперсплавов железа и кобальта.
Уголь – Влияет на морфологию границ зерен никелевых суперсплавов.
Кремний – Повышает устойчивость к сульфидации.
Род – Упрочняет раствор никелевых сплавов.

Никель обладает широкой растворимостью с другими элементами. Например, он полностью растворим в меди и очень хорошо растворим в железе. Он также может растворять значительное количество хрома, молибдена и вольфрама, а многие сплавы содержат элементы, которые. Он также может растворять меньшие количества алюминия, титана, марганца и ванадия.

Суперсплавы

Чем характеризуются суперсплавы?

Наплавки — это сплавы на основе никеля, железо-никеля или кобальта, отличающиеся высокой жаропрочностью.

Жаропрочный сплав сохраняет очень хорошие механические свойства при высокой температуре. Надоплавкой называют сплавы, способные работать под нагрузкой и в тяжелых условиях при температуре выше примерно 540 °C.

Некоторые суперсплавы могут выдерживать механические нагрузки при температуре, превышающей 800 °C. Максимальная температура, при которой соблюдаются эксплуатационные требования, не превышает 1100 °C, а ее дальнейшее повышение возможно только за счет применения защитных покрытий (подробнее об этом в разделе «Защитные покрытия»).

Производство изделий из суперсплавов является сложным процессом. Желаемые свойства материала достигаются путем добавления многочисленных легирующих примесей, а также в результате надлежащей механической и термической обработки.

Основные характеристики суперсплавов:

Отличная жаростойкость (устойчивость к ползучести, т. е. изменению формы при высоких температурах)
Высокая механическая прочность
Хорошая термостойкость (устойчивость к коррозии в результате окисления и сульфидирования при высоких температурах), в том числе устойчивость к газовой коррозии

Почему эти качества так важны?

Суперсплавы должны сохранять механическую прочность и высокую коррозионную стойкость в условиях высоких температур и в присутствии агрессивных химических соединений. Более подробную информацию по этому вопросу можно найти в разделе «Применение суперсплавов».

Суперсплавы – применение

Число применений суперсплавов продолжает расти, но более медленными темпами, чем в предыдущие десятилетия. Хотя суперсплавы были разработаны для высоких температур, они также находят применение в криогенных условиях и при температуре тела. Авиационная промышленность остается основным потребителем суперсплавов.

Суперсплавы – применение:

В энергетике: турбины, лопатки, сопла, межступенчатые перегреватели паровых турбин, элементы ядерных реакторов
В авиации: элементы газовых турбин, в том числе сопла, диски, камеры сгорания, выхлопные системы, лопатки, форсажные камеры, тяговые реверсы и кожухи.
В медицине: ортопедические и стоматологические протезы
В космонавтике: элементы ракетных двигателей и для покрытий.
В химической и нефтехимической промышленности, а также в целлюлозно-бумажной промышленности: арматура (хлорторы, трубы, насосы, резервуары, вентиляторы)

Стоит обсудить типичные тяжелые условия эксплуатации суперсплавов. Это позволит нам больше ценить эти необычные достижения техники. Суперсплавы подвергаются:

Механические нагрузки
Высокая температура
Воздействие агрессивных химических соединений

Следует отметить, что эти факторы воздействуют одновременно и усиливают друг друга. Высокая температура снижает прочность и ускоряет коррозию. Агрессивные химические соединения еще больше снижают устойчивость суперсплава к окислению и сульфидации. В результате коррозии на поверхности суперсплава образуются оксиды металлов. Прогрессирующая коррозия разрушает элемент.

Как уже упоминалось, одним из основных и наиболее требовательных применений суперсплавов являются газовые турбины. Что ускоряет коррозию? Как ее предотвратить? Подробнее об этом в разделе «Коррозия в газовых турбинах».

Разделение надставок по углу сетки

С точки зрения основания стопы, выделяют следующие типы стопы:

Чем они отличаются?

Для начала, они различаются по температурной стойкости. Температура плавления этих металлов в чистом виде составляет: для никеля 1453 °C, для кобальта 1495 °C, а для железа 1537 °C. В целом, суперсплавы на основе кобальта более устойчивы к температуре. Однако существуют никелевые суперсплавы, которые превосходят в этом отношении кобальтовые суперсплавы.

Сплавы кобальта являются значительно более свариваемыми, чем сплавы никеля и железоникеля.

В основе железа и никеля
В основе никеля
В основе кобальта

Сплавы, как правило, достаточно пластичны, причем сплавы на основе никеля и железоникеля, как правило, более пластичны, чем кобальтовые сплавы.

Коррозия суперсплавов в газовых турбинах

Газовые турбины (турбины сгорания) являются неотъемлемой частью, среди прочего, турбореактивных двигателей, турбовентиляторов и турбокомпрессоров. Коррозия представляет собой основную угрозу для этих устройств.

В контексте газовых турбин выделяют два основных типа коррозии:

Газовая коррозия
Высокотемпературное окисление

В чем заключается разница?

Высокотемпературное окисление — это окисление при очень высокой температуре. Газовая коррозия — это окисление и сульфирование при более низкой температуре и в присутствии агрессивных химических соединений.

Высокотемпературная коррозия суперсплавов

При отсутствии дополнительных химических соединений суперсплавы, как правило, сохраняют высокую стойкость к окислению до температуры примерно 880 °C. При более высокой температуре они начинают подвергаться воздействию кислорода. Соответствующие легирующие добавки (прежде всего хром и алюминий) могут повысить стойкость к окислению более чем на 100 °C. Чем выше температура, тем важнее роль алюминия, который самопроизвольно образует прочное защитное покрытие Al2O3. Хром также образует защитный оксид, Cr2O3, и, кроме того, уменьшает количество алюминия, необходимое для образования покрытия Al2O3.

Во многих случаях элементы, изготовленные из суперсплавов, не могут содержать такое количество алюминия, которое было бы способно противостоять окислению в течение длительного времени. В этом случае используются искусственно созданные защитные покрытия.

Газовая коррозия суперсплавов

Газовая коррозия возникает под воздействием горячих паров и газов. Она чрезвычайно агрессивно разрушает металлические элементы и наносит особенно серьезный ущерб химической, энергетической, автомобильной и авиационной промышленности. Кислород вместе с серой и ее соединениями ответственны за большинство случаев газовой коррозии.

Газовая коррозия и реактивные химические соединения

Явление газовой коррозии может происходить при температуре значительно ниже 880 °C из-за присутствия реактивных твердых примесей.

Например, в газовых турбинах хлорид натрия NaCl из воздуха вступает в реакцию с серой из топлива, образуя сульфат натрия Na2SO4. Это агрессивное соединение затем оседает на нагретых элементах, например на лопастях ротора, что ускоряет окисление. Коррозия может начаться уже при 620 °C.

Na2SO4 является одной из основных причин коррозии реактивных двигателей. Хотя содержание серы в топливе реактивных двигателей и морских газовых турбин невелико, оно наносит значительный ущерб.

Основную роль в противодействии газовой коррозии играет хром. Когда суперсплав подвергается ее воздействию, на первом этапе корродирует верхний слой оксидов, что наблюдается до момента истощения хрома, с потерей которого окисление материала резко ускоряется. В результате этих реакций образуется окалина (продукт коррозии), которая создает плотный слой на поверхности корродированного элемента.

Титан и алюминий также противодействуют газовой коррозии. Более подробную информацию по этому вопросу можно найти в разделе легирующие добавки.

Наиболее эффективным способом противодействия коррозии при одновременном сохранении высоких механических свойств является покрытие готовых элементов защитными слоями. Более подробную информацию по этому вопросу можно найти в разделе защитные покрытия.

Сплавные добавки и прочность

Наплавки железоникеля в большинстве случаев упрочняются межметаллическими выделениями в матрице, главным образом фазой γ’.

Аналогично, никелевые суперсплавы в большинстве случаев упрочняются межметаллическими выделениями в матрице. В случае сплавов, содержащих титан и/или алюминий, этим выделением является фаза γ’.

Иначе обстоит дело с кобальтовыми суперсплавами, которые упрочняются за счет комбинации карбидов с добавками, упрочняющими раствор.

Механические свойства и коррозионная стойкость

Более высокое содержание хрома, алюминия и титана положительно влияет на устойчивость непокрытых сплавов к окислению и сульфидации. Однако сплавы, состав которых оптимизирован с точки зрения устойчивости к газовой коррозии, имеют меньшую механическую прочность.

В связи с этим часто лучшим решением является покрытие прочных суперсплавов защитными слоями. Более подробную информацию по этому вопросу можно найти в разделе «Защитные покрытия».

Покрытия, повышающие термостойкость и коррозионную стойкость

Устойчивость к коррозии, вызванной присутствием кислорода и высокой температурой, не всегда сопровождается устойчивостью к коррозии, ускоряемой химическими соединениями. Сплавы на основе никеля с большим содержанием алюминия и меньшим содержанием хрома имеют лучшие механические свойства и более устойчивы к окислению при очень высоких температурах, однако они более подвержены газовой коррозии, вызванной отложением солей на открытых элементах.

Кроме того, суперсплавы, состав которых оптимизирован с точки зрения устойчивости к газовой коррозии, имеют меньшую механическую прочность.

Решением оказались различные виды защитных покрытий:

TBC – покрытие, защищающее от воздействия температуры

TBC (Thermal barrier coatings – термобарьерные покрытия) – это керамические покрытия, которые позволяют суперсплавам работать при высоких температурах, изолируя суперсплав от высоких температур. Некоторые покрытия TBC увеличивают максимальную рабочую температуру более чем на 150 °C.

Покрытия TBC не защищают от окисления и часто используются вместе с одним из следующих покрытий:

Коррозионно-защитные покрытия

Выделяют два типа антикоррозионных покрытий:

Диффузионные покрытия – самый распространенный вид защитного покрытия. На поверхности элемента диффундирует покрытие (чаще всего CoAl или NiAl) в процессе, называемом алюминированием.
Наносимые покрытия – Наносимые покрытия MCrAlY толще диффузионных покрытий и дают более широкие возможности для оптимизации. Изменяя состав покрытия, можно получить лучшие механические свойства или более высокую защиту от определенного вида коррозии (подробнее о коррозии читайте в разделе «Коррозия»).

Типы покрытий, наносимых в зависимости от состава:

FeCrAlY – железо, хром, алюминий, иттрий
NiCrAlY – никель, хром, алюминий, иттрий
NiCoCrAlY – никель, кобальт, хром, алюминий, иттрий (больше никеля)
CoNiCrAlY – кобальт, никель, хром, алюминий, иттрий (больше кобальта)

Преимущества наносимых покрытий - Наносимые покрытия могут быть оптимизированы с точки зрения коррозионной стойкости в конкретной среде. В связи с этим на основу элемента можно наносить сплавы, менее устойчивые к коррозии, но обладающие лучшими механическими свойствами или просто более дешевые. Кроме того, покрытия могут наноситься с целью восстановления изношенных поверхностей, что продлевает срок службы элементов.