Что такое суперсплавы? Полное руководство по свойствам и применению

В реактивных двигателях, на электростанциях и в суровых условиях суперсплавы остаются прочными там, где большинство металлов разрушаются. Они устойчивы к ржавчине и дольше служат под нагрузкой, поэтому они так важны в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, энергетика и многих других. Без них многие мощные машины вышли бы из строя.

Определение суперсплавов

Суперсплавы — это высокоэффективные металлы, предназначенные для работы в условиях высоких температур. Они могут выдерживать температуры ниже или равные 85% их температуры плавления (Тₘ). Эти сплавы отличаются превосходной механической прочностью и способностью противостоять деформация ползучести.

Они также обладают очень хорошей устойчивостью к окислению и коррозии при экстремальных температурах и нагрузках. Суперсплавы обычно изготавливаются из трёх основных металлов: никеля (Ni), кобальта (Co) и железа (Fe). 

История суперсплавов

История суперсплавов восходит к разработке нержавеющей стали примерно в 1910-х годах. Эти стали не ржавели, но не выдерживали высоких температур. К 1920-м и 1930-м годам инженеры начали добавлять в металл такие элементы, как хром и никель, чтобы повысить его жаропрочность и коррозионную стойкость.

В 1930-х годах был разработан новый суперсплав, известный как Инконель был зарегистрирован как товарный знак. Он отлично работал при высоких температурах и не ржавел. Инконель позже использовался в первых реактивных двигателях. Наибольший прорыв произошёл в 1960-х и 70-х годах, когда произошли три важных изменения:

• Вакуумная плавка – Это позволило получить более чистые сплавы. Меньше грязи в металле означало меньше слабых мест.
• Направленная кристаллизация – Это помогло сформировать структуру зерна металла, сделав его прочнее.
• Рост монокристаллов – Это устранило слабые места, в которых часто возникают трещины.

Химия и механизмы усиления

Конструкция из сплава

Суперсплавы становятся прочнее за счет упрочнения твердых растворов и дисперсионного упрочнения.

Упрочнение твердого раствора

Это происходит, когда к основному металлу примешиваются другие элементы. Эти элементы нарушают атомную структуру металла, затрудняя перемещение атомов. Благодаря этому металлы не ломаются и не деформируются под действием напряжения.

Усиление осадков

Крошечные частицы, известные как гамма-штрих (γ′) и гамма-двойной штрих (γ″), добавляются в металл для удержания структуры на месте в условиях высоких температур.

Роль элементов:

Для создания суперсплавов требуется не только прочный базовый металл. Дополнительные элементы добавляются для обеспечения прочности, терморегуляции и стойкости к ржавчине.

Никель (Ni), кобальт (Co) и железо (Fe)

Они образуют базовую матрицу суперсплава. Никель сохраняет прочность при высоких температурах и в основном используется в суперсплавах. Кобальт имеет более высокую температуру плавления, чем никель, и подходит для деталей, подверженных сильному нагреву. Железо дешевле, но по прочности не уступает никелю или кобальту.

Хром (Cr) и алюминий (Al)

Хром помогает бороться с ржавчиной и коррозией, образуя тонкую оксидную плёнку, которая защищает металл. Алюминий повышает прочность металла и повышает его устойчивость к ржавчине.

Титан (Ti) и ниобий (Nb)

Они способствуют фазе дисперсионного упрочнения, предотвращая растяжение металла с течением времени.

Рений (Re), вольфрам (W), молибден (Mo) и тантал (Ta)

Эти металлы называются тугоплавкими. Они имеют очень высокие температуры плавления и делают сплав прочнее при нагревании. Они также замедляют рост слабых участков внутри металла.

Микроструктура

Микроструктура суперсплава обычно характеризуется следующими характеристиками:

• γ/γ′ Микроструктура: Это двухфазная структура, состоящая из гамма-фазы (γ) и гамма-штрих-фазы (γ′). Первая сохраняет форму, а вторая сохраняет прочность металла при нагревании.

• Карбиды: Это крошечные твердые частицы углерода, которые располагаются на краях зерен, помогая остановить трещины и замедлить ползучесть.

• Фазы TCP (топологически плотно упакованные): Их используют в небольших количествах, поскольку большие количества могут сделать сплав очень хрупким.

• Монокристаллические сплавы: Они устраняют границы зерен, но предотвращают образование трещин и дольше служат под нагрузкой.

Семейства суперсплавов

на основе Ni

Это наиболее распространённые типы суперсплавов. Они обладают очень хорошим контролем γ′ и сопротивлением ползучести. Благодаря этому они отлично работают при высоких температурах и в условиях высоких нагрузок. Среди распространённых марок — Waspaloy, Inconel 625 и Inconel 718.

Совместно базирующийся

Суперсплавы на основе кобальта имеют более высокие температуры плавления и лучше выдерживают нагрев, чем никелевые. В них мало γ′-частиц. Вместо этого они используют твёрдые карбиды. Они препятствуют износу и росту трещин. Кобальтовые сплавы хорошо подходят для деталей, подверженных трению или износу, например, клапанов двигателей.

На основе железа

Эти сплавы основаны на железе и часто используются там, где важна стоимость. Они не могут сравниться с никелевыми или кобальтовыми суперсплавами при очень высоких температурах. Тем не менее, они хорошо работают в горячих деталях, не подвергающихся экстремальным нагрузкам.

Некоторые суперсплавы на основе железа являются аустенитными. Это означает, что их кристаллическая структура остаётся стабильной даже при высоких температурах. Эти сплавы, как и сплавы на основе никеля, также могут образовывать γ′-преципитаты. При этом их прочность повышается, особенно при средних температурах.

Некоторые распространённые марки суперсплавов:

• Инконель 625: Это суперсплав на основе никеля, который очень прочный и хорошо выдерживает как тепло, так и давление.
• Инконель 718: Он содержит значительное количество ниобия и прочен при средних и высоких температурах.
• Васпалой: Его можно упрочнять со временем, и он сохраняет прочность до температуры около 980 °C.

Производство и переработка

Литье против ковки

Когда дело доходит до ковкасплав нагревают, а затем прессуют или куют, придавая ему форму. Давление уплотняет зерна. Это уменьшает внутренние дефекты и повышает прочность детали. Кованые детали обычно прочнее литых. Они лучше выдерживают удары и напряжения. Однако ковка не подходит для очень сложных форм.

Ковка также ограничивает типы используемых суперсплавов. Некоторые сплавы слишком прочны для ковки после охлаждения. Поэтому этот метод используется, когда прочность важнее, чем детализация формы.

Кастинг — один из методов формования суперсплавов. Он отлично подходит для сложных или полых деталей, трудно поддающихся механической обработке. Литье по выплавляемым моделям — один из наиболее распространённых методов формования деталей из суперсплавов на основе никеля и кобальта. Это экономичный процесс, позволяющий получать изделия с жёсткими допусками, тонкими стенками и сложной формой.

Направленная кристаллизация

Это особый метод литья. При нём металл медленно охлаждается в одном направлении. Это заставляет зёрна металла расти снизу вверх по прямым линиям. Детали, изготовленные таким способом, прочнее в направлении приложения нагрузки. Они лучше выдерживают нагрев и давление, чем обычные литые детали.

Выращивание монокристаллов

Это сложный метод литья. Деталь выращивается как единый монокристалл, без каких-либо границ зерен. Именно на границах зерен часто возникают трещины. Их удаление повышает сопротивление ползучести детали и увеличивает срок её службы при высоких температурах.

Порошковая металлургия и аддитивное производство (3D-печать)

Как порошковая металлургия, так и 3D печать Для изготовления деталей используют мелкие металлические порошки, но их используют по-разному.

Порошковая металлургия прессует порошок, придавая ему форму, а затем нагревает его до сплавления зёрен. Это позволяет получать прочные детали с минимальным количеством дефектов и точным контролем состава смеси. Этот метод хорошо подходит для ответственных деталей, таких как диски турбин и другие высоконапряжённые компоненты.

3D-печать предполагает плавление порошка послойно с помощью лазера. Этот метод позволяет создавать изделия сложной формы и лёгкие детали. Он подходит для небольших партий и индивидуальных проектов. Оба метода позволяют экономить материал и создавать прочные и точные детали из суперсплавов.

Защита поверхности: покрытия

Детали из суперсплавов подвергаются воздействию экстремальных температур, пара и реактивных газов. Для их защиты на поверхность наносятся покрытия. Эти покрытия действуют как барьер, замедляющий окисление и коррозию, продлевая срок службы детали.

Стратегия заключается в формировании стабильного внешнего слоя, устойчивого к разрушению даже при высоких температурах. Покрытия либо сцепляются с поверхностью, либо формируют собственный защитный слой в процессе эксплуатации.

• Диффузионные покрытия: Они добавляют на поверхность такие элементы, как алюминий. При нагревании они образуют устойчивый оксидный слой.
• Покрытия MCrAlY: Это напылённые слои из таких металлов, как никель или кобальт, а также хрома, алюминия и иттрия. Они хорошо прилипают и защищают от нагрева и ржавчины.
• Теплоизоляционные покрытия (ТБП): ТБП — это керамические слои, которые блокируют нагрев металла. Они помогают деталям оставаться холодными и служить дольше.

Приложения

Аэрокосмическая промышленность

Реактивные двигатели изготовлены из суперсплавов. Лопатки, сопла и детали камеры сгорания должны выдерживать температуру свыше 1100 °C. Эти детали вращаются с высокой скоростью и подвергаются большим нагрузкам.

Производство электроэнергии

В газовых и паровых турбинах также используются суперсплавы. Эти детали нагреваются и должны работать без деформации. Суперсплавы помогают электростанциям работать при более высоких температурах и вырабатывать больше энергии.

Химическая переработка и нефть и газ

Суперсплавы выдерживают воздействие агрессивных сред, тепла и давления. Они используются в теплообменниках, насосах и трубопроводах. Такие сплавы, как инконель и хастеллой, устойчивы к кислотам и соляным газам.

Автомобили и не только

Некоторые суперсплавы используются в автомобильных двигателях. Турбокомпрессоры и выхлопные системы должны выдерживать высокие температуры и нагрузки. Эти сплавы служат дольше стали в местах повышенных температур.

Вывод

Каждый час работы турбины или полёта самолёта суперсплавы держат оборону. Более качественные детали означают меньше поломок, меньше расходов на техническое обслуживание и больше времени безотказной работы. Позвольте нам вам помочь сделайте первый шаг к более сильным частям уже сегодня.