Перегляд вихідного коду сторінки Жароміцні сплави

[[Файл: Rolls-Royce Nene turbine detail.jpg|thumb|250px|Лопатки турбіни із жароміцного сплаву [[Німонік|Nimonic 80A]] у двигуні «Rolls-Royce Nene»]]
'''Жароміцні́ спла́ви''' або '''суперспла́ви''' ({{lang-en|superalloy}})&nbsp;— сплави на [[нікелеві сплави|нікелевій]], залізохромонікелевій, кобальтовій або змішаній основі, що відзначаються високим опором [[пластична деформація|пластичній деформації]] та руйнуванню в умовах високих температур та окиснювальних середовищ.

Основними фізико-механічними характеристиками жароміцних сплавів є значний опір [[границя повзучості|повзучості]], [[границя витривалості|втомлюваності]], а також, висока [[тривала міцність]].

== Природа жароміцності ==
Висока [[жароміцність]] сплавів визначається двома основними фізичними чинниками&nbsp;— міцністю міжатомних зв'язків в сплаві і його структурою. Зазвичай необхідну для високої міцності структуру отримують термічною обробкою (гомогенізувальним гартуванням і [[старіння металів|старінням]] металів), що приводить до гетерогенізації мікроструктури, а також у процесі легування тугоплавкими хімічними елементами ([[вольфрам]]ом, [[молібден]]ом, [[ванадій|ванадієм]]) і елементами-зміцнювачами ([[титан (хімічний елемент)|титаном]], [[алюміній|алюмінієм]], [[ніобій|ніобієм]], [[бор]]ом). 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&nbsp;°С, їхню поверхню додатково піддають дифузійній термохімічній обробці ([[алітування|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 [[двигун внутрішнього згоряння|двигунів внутрішнього згоряння]], [[парова турбіна|парових]] і [[газова турбіна|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 Німеччнині компанією [[Friedrich Krupp AG|«AG Krupp»]] у 1936–1938 роках. Високолегована [[аустенітна сталь]] [[тінідур]] створювалась як матеріал робочих лопаток турбіни на температури 600–700&nbsp;°C. Тінідур&nbsp;— аустенітна сталь з дисперсним твердненням (Ni<sub>3</sub>Ti) і карбідним зміцненням. У 1943–44 роках річне виробництво сталі тінідур становило 1850 тонн. Інститутом DVL ({{lang-de|Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt}}&nbsp;— Німецький науково-дослідний інститут авіації) і фірмою «Heraeus Vacuumschmelze AG» були розроблені аустенітні сталі DVL42 та DVL52 для вищих робочих температур 750–800&nbsp;°C. Склади сталей подані у таблиці.

<center>''Хімічні склади німецьких аустенітних жароміцних сталей для газотурбіних двигунів''<ref>Luft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275–279</ref><ref>''Pomp A., Krisch A. '' Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 und 800&nbsp;°C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940</ref><ref>Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for Use at High Temperature. BIOS Final Report N 396, London, 1946</ref>

{| align="center" class="standard"
|+
! |Назва
! |%C
! |%Mn
! |%Si
! |%Ni
! |%Co
! |%Cr
! |%Mo
! |%W
! |%Ti
! |%Al
! |% ін. <br/>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
| Fe<br/>основа
|-----
| 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
|
| Fe<br/>основа
|-----
| 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 0,60-0,70<br/>0,18-0,23 N<sub>2</sub>
|+
|}
</center>

В Німеччині у 1940-х роках розробники авіаційних ГТД прагнули підвищити температуру газу перед турбіною до 900&nbsp;°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&nbsp;°C (серія «Jumo-004E»). З 1944 року на двигуні «Jumo-004» використовувались робочі лопатки з охолодженням з менш дефіцитної сталі [[хромадур]].

В кінці 1940-х років припинилось, в основному, використання заліза як основи жароміцних сплавів, на користь сплавів на основі нікелю і [[кобальт]]у. Це дозволило отримати міцнішу і стабільнішу [[кристалічна ґратка|гранецентровану]] матрицю.

Сучасні жароміцні сталі класифікують за температурою експлуатації. Для роботи при 500–550 °С використовують сталі марок 20X13, 15X11МФ, 13Х14НЗВ2ФР<ref name=GOST5632>ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.</ref>, 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<ref name=GOST5632 />, з яких виготовляють клапани автомобільних і тракторних двигунів, трубки рекуператорів, теплообмінники.

== Жароміцні сплави на основі нікелю ==
[[Файл:Turbinenschaufel RB199.jpg|thumb|250px|Робоча лопатка ротора турбіни двигуна «RB199», з ливарного нікелевого жароміцного сплаву після експлуатації]]
До 1942 року у Великій Британії створено жароміцний сплав [[німонік|німонік-80]] (80&nbsp;% Ni&nbsp;— 20&nbsp;% Cr)&nbsp;— перший у серії високожароміцних дисперсно-тверднучих сплавів на нікель-хромовій основі. Творець сплаву&nbsp;— Вільям Гріффітс ({{lang-en|Griffiths W.T.}})<ref>[http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1947/1947%20-%201898.html High-Temperature Alloys] // Aviation History. 1947, Oct. 30</ref>. Ключовими легувальними елементами сплаву німонік-80 були титан (2,5&nbsp;%) і алюміній (1,2&nbsp;%), що утворювали зміцнювальну фазу. Кількісний вміст зміцнюючої ''γ'''-фази у сплаві становив 25–35&nbsp;% за об'ємом<ref>''Giamei A. F., Pearson D. D., Anton D. L.'' Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293–307</ref>. 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 [[тривала міцність|тривалою міцністю]] за температура 750–850&nbsp;°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<ref>ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки.</ref>&nbsp;— 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 [[молібден]]ом. Згодом, з цією ж метою почали використовувати добавки таких елементів, як [[вольфрам]], [[ніобій]], [[Тантал (хімічний елемент)|тантал]], [[реній]] та [[гафній]]<ref>Суперсплавы II / Под ред. Симса, Столоффа, Хагеля. Перевод на русский язык. М., Металлургия, 1995, т 1, стр. 29</ref>).

=== Легування ===
Легувальні елементи у жароміцних сплавах на основі нікелю можна згрупувати наступним чином:
# Елементи, що утворюють з Ni [[аустеніт]]ну <math>\gamma\,\!</math>-матрицю з гранецентрованою кристалічною ґраткою&nbsp;— Co, Fe, Cr, Mo і W
# Елементи, що утворюють зміцнювальну <math>\gamma\,\!</math>' фазу (Ni<sub>3</sub>X)&nbsp;— Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При цьому Ti, Nb і Ta входять до складу фази й зміцнюють її.
# Елементи, що утворюють [[Сегрегація (фізика)|сегрегації]] на границях зерен&nbsp;—[[Бор|B]], [[Вуглець|C]] і [[Цирконій|Zr]].

До карбідоутворюючих елементів належать [[Хром|Cr]], [[Молібден|Mo]], [[Вольфрам|W]], [[Ніобій|Nb]], [[Тантал (хімічний елемент)|Ta]] і [[Титан (хімічний елемент)|Ti]]. [[Алюміній|Al]] і Cr, котрі утворюють [[оксид]]ні плівки, що захищають вироби від корозії.

<center>''Типовий хімічний склад деформівних жароміцних сплавів на нікелевій основі''<ref name=HKDH>''H. K. D. H. Bhadeshia'' [http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Superalloys/superalloys.html Nickel Based Superalloys] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060825053006/http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Superalloys/superalloys.html |date=25 серпня 2006 }}</ref></center>
<center>
{| align="center" class="standard"
|+
! |Сплав
! |%Ni
! |%Cr
! |%Co
! |%Mo
! |%Al
! |%Ti
! |%Nb
! |%C
! |%B
! |Zr
! |% ін. <br/>елементів
|-----
| [[Інконель X-750|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
| -
|
|-----
| [[Рене 41|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
| -
| -
|
|+
|}
</center>

<center>''Типовий хімічний склад ливарних жароміцних сплавів на нікелевій основі''<ref name=HKDH /></center>
<center>
{| align="center" class="standard"
|+
! |Сплав
! |%Ni
! |%Cr
! |%Co
! |%Mo
! |%Al
! |%Ti
! |%Nb
! |%C
! |%B
! |Zr
! |% ін. <br/>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
| 0,10
|1,7% 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
|+
|}
</center>

=== Фазовий склад ===
До основних фаз жароміцних сплавів належать:
# ''Гамма-фаза'' (<math>\gamma\,\!</math>) є матрицею з [[ГЦК]] кристалічною ґраткою. У твердому розчині цієї фази міститься значна кількість Co, Cr, Mo, W.
# ''Гамма-штрих фаза'' (<math>\gamma\,\!</math>') утворює частинки [[Преципітація (хімія)|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&nbsp;%). Він сполучається з карбідотвірними елементами&nbsp;— Ti, Ta, Hf
# ''Зерногранична <math>\gamma\,\!</math>'-фаза''. Ця фаза утворюється у вигляді плівки по границях зерен в процесі [[термічна обробка|термічної обробки]].
# ''Бориди'' Виділяються на границях зерен у вигляді рідкісних частинок.
# ''Фази топологічно щільно упаковані'' мають пластинчасту [[Математична морфологія|морфологію]]. Приклад: фази <math>\sigma\,\!</math>, <math>\mu\,\!</math> і [[фаза Лавеса]]. Ці фази спричиняють окрихчення матеріалу і є небажаними.

== Сплави на основі кобальту ==
{{Main|Сплави кобальту}}
Ще на початку XX століття компанією «Гейнс» ({{lang-en|Haynes}}) були отримані патенти на сплави системи Co-Cr та Co-Cr-W. Ці сплави, що отримали назву «[[стеліт]]и» використовувались при виготовленні різального інструменту та зносостійких деталей. В 1930-х роках було розроблено ливарний Co-Cr-Mo сплав [[віталіум]] (''Vitallium<sup>®</sup>'') для [[стоматологія|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 <math>\gamma\,\!</math>'. Це привело до зменшення використання сплавів на основі кобальту.

=== Особливості жароміцних сплавів на кобальтовій основі ===
* [[Температура плавлення]] у сплавів на кобальтовій основі є вищою. З цієї причини характеристики [[тривала міцність|тривалої міцності]] є вищими. Ці жароміцні сплави можуть працювати за вищих температур, у порівнянні зі сплавами на основі нікелю чи заліза.
* Високий вміст хрому підвищує стійкість до гарячої корозії.
* Сплави характеризуються підвищеною стійкістю до термічної втоми і мають добру [[зварюваність]].

== Монокристалічні жароміцні сплави ==
У 1970–1980 роках розпочалось використання литих жароміцних сплавів, отриманих методами спрямованої кристалізації й [[монокристали|монокристалічних]] сплавів на нікелевій основі. Застосування цих матеріалів дозволило збільшити міцність і термічну довговічність лопаток газових турбін.

<center>''Хімічний склад жароміцних сплавів, <br/>що отримуються методами направленої кристалізації''<ref name=HKDH /></center>
<center>
{| align="center" class="standard"
|+
! |Сплав
! |%Cr
! |%Co
! |%W
! |%Mo
! |%Ta
! |%Nb
! |%Ti
! |%Al
! |%Hf
! |%B
! |%Zr
! |%C
|-----
| MAR-M200+Hf
| 9,0
| 10,0
| 12,0
| -
| -
| 1,0
| 2,0
| 5,0
| 2,0
| 0,015
| 0,08
| 0,14
|-----
| MAR-M246+Hf
| 9,0
| 10,0
| 10,0
| 2,5
| 1,5
| -
| 1,5
| 5,5
| 1,5
| 0,015
| 0,05
| 0,15
|-----
| MAR-M247
| 8,4
| 10,0
| 10,0
| 0,6
| 3,0
| -
| 1,0
| 5,5
| 1,4
| 0,015
| 0,05
| 0,15
|-----
| RENE 80H
| 14,0
| 9,5
| 4,0
| 4,0
| -
| -
| 4,8
| 3,0
| 0,75
| 0,015
| 0,02
| 0,08
|+
|}</center>

<center>''Хімічний склад монокристалічних жароміцних сплавів''<ref name=HKDH /></center>
<center>
{| align="center" class="standard"
|+
! |Сплав
! |%Cr
! |%Co
! |%W
! |%Mo
! |%Ta
! |%Nb
! |%Ti
! |%Al
! |%Hf
|-----
| Pratt & Whitney №&nbsp;1
| 10,0
| 5,0
| 4,0
| -
| 12,0
| -
| 1,5
| 5,0
| -
|-----
| Pratt & Whitney №&nbsp;2<br/>(3% Re)
| 5,0
| 10,0
| 6,0
| 2,0
| 8,7
| -
| -
| 5,6
| 0,1
|-----
| CMSX-2
| 8,0
| 5,0
| 8,0
| 0,6
| 6,0
| -
| 1,0
| 5,5
| -
|-----
| SRR99
| 8,5
| 5,0
| 9,5
| -
| 2,8
| -
| 2,2
| 5,5
| -
|+
|}</center>

== Див. також ==
* [[Жароміцний чавун]]

== Примітки ==
{{reflist|2}}

== Джерела ==
* {{книга|автор =Дурягіна З. А.|заголовок= Сплави з особливими властивостями|відповідальний = З.А. Дурягіна, О. Я. Лизун, В. Л. Пілюшенко|місце=Л.|видавництво= Вид-во НУ «Львівська політехніка»|рік=2007|сторінок=236}}
* {{книга|заголовок=Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок|місце=М.|видавництво=Металлургия|рік=1995}}
* {{книга|заголовок=Строение и свойства авиационных материалов|місце=М.|видавництво=Металлургия|рік=1989}}
* [http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html Лекції про суперсплави на сайті університету Кембриджа] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20170108045417/http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html |date=8 січня 2017 }}.
* {{книга|автор=Химушин Ф. Ф.|заголовок=Жаропрочные стали и сплавы|місце=М.|видавництво=Металлургия|рік=1969}}

== Посилання ==
* [http://esu.com.ua/search_articles.php?id=18875 Жароміцність та жароміцні металеві матеріали] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161222222132/http://esu.com.ua/search_articles.php?id=18875 |date=22 грудня 2016 }} // {{ЕСУ}}

{{Перспективні технології|матеріали=так}}

[[Категорія:Жароміцні сплави|*]]
[[Категорія:Авіабудівні матеріали]]