Металловедение жаропрочных сталей и сплавов (часть 1)   

   Создание особой отрасли современного металловедения — ме­талловедения жаропрочных сталей и сплавов — связано с раз­витием специального машиностроения, в котором применяются детали, работающие при высокой температуре. В результате совершенствования химических производств, нефтеперераба­тывающей промышленности, строительства промышленных пе­чей и главным образом энергетического машиностроения (соз­дание мощных котлов, паровых турбин и в особенности газо­вых турбин, ракетных, реактивных и атомных двигателей) все больше возрастает потребность в металлических материалах, способных длительное время противостоять внешним нагруз­кам при высоких температурах.

   Вначале при строительстве паровых машин и котлов на­дежная работа наиболее напряженных узлов была обеспечена применением существовавших в то время низкоуглеродистых сталей.

   Переход в начале века к использованию более мощных и экономичных паросиловых установок, работающих при более высоких температурах и напряжениях, потребовал изыскания новых марок сталей, обладающих повышенной прочностью при 200—400° С и коррозионной стойкостью в атмо­сфере пара. Такими материалами оказались хромомолибденовые и хромокремнистые стали перлитного класса, а также вы­сокохромистые (12% Сг) стали полуферритного класса.

   С развитием технологии различных химических производств в двадцатых годах нынешнего столетия потребовалось, чтобы материал соответствующих аппаратов наряду с высокой кислото­упорностью обладал достаточной прочностью при 300—500° С. В связи с этим были разработаны хромоникелевые стали аусте-нитного класса с высоким содержанием хрома (18%) и ни­келя (8%).

   Строительство мощных двигателей внутреннего сгорания, прямоточных котлов и турбин высоких параметров привело к необходимости создания сталей, обладающих большей проч­ностью при еще более высоких температурах (примерно до 600-650° С). Этим требованиям не могли удовлетворять стали, содержащие 18% Сг и 8% N1. Состав последних был изменен в направлении повышения содержания хрома и никеля с тем, чтобы сталь по-прежнему относилась к аустенитному классу, а также в направлении дополнительного легирования вольф­рамом, молибденом, ванадием, титаном, ниобием, кобальтом и другими элементами.

   Дальнейшее развитие энергетической техники привело к соз­данию в сороковых годах промышленных образцов газотурбин­ных — прямоточных и реактивных — двигателей. Условия ра­боты материалов основных деталей газотурбинных двигателей — лопаток и дисков турбины, а также камер сгорания (жаровых труб) — значительно труднее (весьма высокие напряжения при температурах порядка 800—1200° С), чем двигателей вну­треннего сгорания или котло-турбоустановок. Поэтому попытки использовать для изготовления деталей газовых турбин при­менявшиеся для двигателей внутреннего сгорания аустенитные стали не могли полностью решить поставленной проблемы. Изучение жаропрочных свойств различных металлических ма­териалов показало целесообразность применения сплавов на основе никеля, кобальта, хрома, а также более тугоплавких металлов — в первую очередь молибдена.

   Условия высокотемпературной службы в общем случае весьма сложны и предъявляют к металлическим материалам, используемым для изготовления деталей, работающих при вы­соких температурах, весьма жесткие и разносторонние требова­ния по прочности, пластичности, стойкости в различных сре­дах и при разных режимах приложения нагрузок и т. д. Эти требования определяют сложный состав таких сталей и сплавов.

   Несмотря на сложность состава, сплавы должны быть: технологичными, что позволяет организовать производство деталей; однородными по строению и свойствам; сохраняющими необходимый уровень физических свойств (удельного веса, теплопроводности, коэффициента линейного расширения и др.); в композиции сплавов нежелательно иметь значительное количество дефицитных элементов.

   Однако жаропрочность — основное свойство, которым дол­жен обладать материал деталей, работающих при высоких тем­пературах.

   Создание жаропрочных сплавов, обладающих стабильно­стью структуры в сложных условиях эксплуатации, связано с известными трудностями в разработке специфичной методики исследования и испытания этих сплавов. Методика исследова­ния должна в какой-то мере имитировать условия высокотем­пературной службы реальных деталей и, следовательно, предусматривает использование специальной аппаратуры, надежно работающей длительное время при высокой температуре.