Анализ влияния химического состава и технологии получения на жаропрочность металлов и сплавов (стр. 4 из 6)
Несмотря на это, жаропрочные магниевые сплавы, благодаря их легкости, высокой вибрационной прочности, жесткости и достаточной удельной жаропрочности могут применяться ц конструкциях ответственных летательных аппаратов (авиационная и ракетная техника и др.) - По удельной прочности и жаропрочности наилучшие магниевые сплавы превосходят жаропрочные алюминиевые сплавы. Немаловажное значение имеют большие запасы магния в земной коре [2,1% (по массе), и его сравнительно невысокая стоимость.
Правда, жаропрочные магниевые сплавы заметно уступают алюминиевым по технологичности (при плавке,. литье, обработке давлением и термической обработке),. коррозионной стойкости и прочностным свойствам при г комнатной температуре [аи==320 - 330 Мн/м2 (32 - 33 кГ/мм2)]. Коррозионную стойкость магниевых сплавов повышают методами химической и лакокрасочной защиты.
АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Алюминий в отличие от магния имеет г. ц. к. решетку и более высокий модуль нормальной упругости Е=73800 Мн/м² (7380 кГ/мм²), поэтому алюминиевые сплавы при нормальной температуре более прочны и пластичны, чем магниевые. При повышенных же температурах (например, 300° С) алюминиевые сплавы по удельной жаропрочности несколько уступают магниевым сплавам, так как удельный вес алюминия примерно в 1,5 раза больше, чем у магния (2,7 против 1,74 г/см
).Температура плавления алюминия на 10 град выше, чем у магния (660 вместо 650° С). Длительная твердость при 300° С у алюминия также несколько выше чем у магния: 40 вместо 30 Мн/м (4 вместо 3 кГ/мм), что, по-видимому, и определяет более высокий уровень рабочих температур алюминиевых сплавов (350-400° С) по сравнению с рабочими температурами магниевых сплавов (300-350° С).
По распространенности в природе алюминий занимает второе место (после кремния). Содержание алюминия в земной коре составляет около 8,8% (по массе), что свидетельствует о больших запасах алюминиевого сырья. По стоимости алюминий примерно на 40% дешевле меди.
Характерная особенность алюминиевых сплавов по сравнению с магниевыми-высокая технологичность. В отличие от магниевых сплавов алюминиевые сплавы не нуждаются в специальной защите при плавке, литье, термической обработке и других технологических операциях. Плотная окисная пленка из AI2O3, образующаяся на алюминиевых сплавах, хорошо защищает их от окисления при комнатнойи повышенных температурах.
Из-за высокой тепло - и электропроводности чистого алюминий составляющих примерно 65% от этих свойств меди, некоторые жаропрочные малолегированные алюминиевые сплавы в настоящее время применяют вместо меди как проводниковые материалы.
ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ
Современные жаропрочные титановые сплавы, так же как магниевые и алюминиевые сплавы, относятся к легким конструкционным материалам (плотность титана 4,5 г/см). Благодаря высокой удельной прочности и жаропрочности, коррозионной стойкости в различных средах и хорошей свариваемости их применяют в авиационной, ракетной и других областях техники (обшивка сверхзвуковых самолетов, детали реактивных двигателей и др.).
Рабочие температуры жаропрочных титановых сплавов пока составляют 450-500° С. По пределу длительной прочности при 300-350°С они превосходят лучшие жаропрочные алюминиевые сплавы в 8-10 раз, а при более высоких температурах алюминиевые и тем более магниевые сплавы вообще неприменимы.
Кратковременно современные жаропрочные титановые сплавы могут работать при температурах 600 - 650°С и выше. Длительное же использование (сотни часов и более) их в окислительных средах при температурах выше 500°С невозможно из-за сильного окисления; покрытий, обеспечивающих надежную защиту титановых сплавов от окисления, пока нет.
В последние годы некоторые жаропрочные титановые сплавы стали применять не только в деформированном, но и литом состоянии (сплавы типа ВТ5 и др.). Многие деформируемые титановые сплавы благодаря узкому интервалу кристаллизации обладают хорошими литейными свойствами и сохраняют достаточную пластичность в литом состоянии при комнатной температуре δ >=5 - 7% и ψ>=10-15%).
МЕДНЫЕ СПЛАВЫ
Медь является одним из важнейших дефицитных цветных металлов, удачно сочетающим в себе высокую электро - и теплопроводность с достаточной прочностью.
До недавнего времени механические свойства меди и ее сплавов изучали лишь при комнатной температуре.
Систематических данных о влиянии легирующих элементов на физико-механические свойства меди при повышенных и тем более высоких температурах до пятидесятых годов практически не было.
Между тем, с развитием новых областей техники возникла острая потребность в медных сплавах, которые наряду с высокой прочностью и жаропрочностью одновременно обладали бы высокой тепло - и электропроводностью. Если та или иная деталь хорошо отводит тепло и проводит ток, то она меньше нагревается и при наличии необходимой жаропрочности длительнее сопротивляется пластическим деформациям при повышенных температурах. Именно такие медные сплавы в настоящее время представляют наибольший практический интерес.
Благодаря высокому теплоотводу (при интенсивном охлаждении) теплопроводные жаропрочные медные сплавы могут работать в таких условиях, которых не выдерживают жаропрочные сплавы на основе железа и другие малотеплопроводные сплавы.
Таким образом, стойкость и работоспособность медных сплавов при повышенных температурах в основном зависит от оптимального сочетания жаропрочности и тепло - или электропроводности.
НИКЕЛЕВЫЕ И КОБАЛЬТОВЫЕ СПЛАВЫ
В настоящее время жаропрочные никелевые сплавы по своему значению вышли на одно из первых мест и находят широкое применение в различных областях техники (авиационное двигателестроение, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и др.), Объясняется это тем, что жаропрочные никелевые сплавы удачно сочетают высокую жаропрочность, окалиностойкость и технологичность.
Только за последние 15--20 лет рабочие температуры жаропрочных никелевых сплавов возросли примерно с 750 до 1000-1030°С. Это оказалось возможным за счет:
· использования для приготовления жаропрочных сплавов более чистых шихтовых материалов, свободных от вредных легкоплавких примесей (свинец, висмут, олово, сурьма, сера и др.);
· легирования жаропрочных сплавов значительными количествами вольфрама, кобальта, молибдена и ниобия (вводимых раздельно или совместно), которые существенно затормаживают диффузионные процессы разупрочнения в сплавах и повышают их жаропрочность;
· увеличения до оптимального уровня содержания легирующих элементов, вызывающих упрочнение жаропрочных никелевых сплавов при термической обработке (в первую очередь алюминия и титана);
· введения в сплавы небольших добавок бора, циркония и других аналогичных легирующих элементов, способствующих упрочнению границ зерен и приграничных областей за счет образования боридов и др.;
· наконец, усовершенствования технологии производства и обработки жаропрочных никелевых сплавов (плавка в вакууме или среде инертного газа, различные варианты упрочняющей термической или термомехапической обработки и др.).
ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ. ИХ СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ
Для современной высокотемпературной техники требуются конструкционные материалы, способные работать в течение длительного времени при температурах выше 1000-1030°С, т.е. более высоких, чем рабочие температуры жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов. Удовлетворить эти требования, как показывает практика, могут только жаропрочные сплавы на основе тугоплавких металлов. .
К тугоплавким металлам принято относить все переходные металлы с температурами плавления выше, чем у железа (1539°С). Большинство из них характеризуется малой распространенностью в природе, однако благодаря удачному сочетанию жаропрочности и других физико-химических свойств сплавы этих металлов стали использовать на практике.
Ниже рассматриваются жаропрочные сплавы важнейших тугоплавких металлов: группы УА(ванадий, ниобий, тантал) и VIA (хром, молибден, вольфрам), по которым уже накоплен сравнительно большой фактический материал. Что касается таких металлов, как гафний из группы IVA, рений из группы VIIA, а также благородные металлы (рутений, родий, осмий и др.), то сплавы на их основе не нашли заметного применения из-за малой доступности и высокой стоимости их основ. Исключение составляет немногочисленная группа жаропрочных циркониевых сплавов, применяемых главным образом в качестве оболочек тепловыделяющих элементов и других деталей активной зоны ядерных реакторов, а также отдельные платиновые сплавы, используемые для изготовления стеклоплавильных сосудов. Поэтому эти группы сплавов здесь не рассматриваются.
Поскольку жаропрочные сплавы на основе тугоплавких металлов по своей кристаллической структуре (о. ц. к. решетка) и физико-химическим свойствам отличаются от жаропрочных сплавов цветных металлов (г. ц. к. и г. п. у. решетки), то целесообразно коротко остановиться на особенностях тугоплавких металлов и перспективах использования их сплавов в современной технике.
Тугоплавкие металлы характеризуются повышенной прочностью межатомных связей, на что указывают высокие значения их температур плавления (и кипения), теплот сублимации, модулей упругости и, наоборот, низкие значения сжимаемости, коэффициентов термического расширения, упругости паров и других характеристик.
Таблица 3.
Важнейшие физико-химические свойства тугоплавких металлов групп VA и VIA.