Жаропрочные стали и сплавы

5.7  Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочностью называется способность сталей и сплавов сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах в течении определенного времени . При температуре до 600С обычно применяют термин теплоустойчивость. Стали и сплавы, предназначены для работы при повышенных и высоких температурах должны обладать не только жаропрочностью, но и жаростойкостью.

Стали и сплавы, предназначены для работы при повышенных и высоких температурах, подразделяют на группы:

1) теплоустойчивые стали , работающие в нагруженном состоянии при температурах до 600С в течении длительного времени;

2) жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

В группу теплоустойчивых сталей входят углеродистые, низко- легированные и хромистые стали. Структура их зависит от степени легирования и режима термической обработки стали. После нормализации в структуре стали образуется феррит или ферритокарбидная смесь разной дисперсности( перлит, трости, бейнит).

К жаропрочным относятся стали аустенитного класса на хромо-никелевой и хромоникельмарганцевой основах  с различным дополнительным легированием.   Условно эти стали подразделяют на три подгруппы :

- гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью твердого раствора;

Рекомендуемые материалы

- стали с карбидным упрочнением;

- стали с интерметаллидным упрочнением. Такое разделение сделано по преимущественному типу упрочнения.

Жаропрочные сплавы разделены по металлу основы: сплавы на основе никеля и кобальта. Эти сплавы чаще всего подразделяют и по способу производства: на деформируемые и литые.

Основные характеристики, определяющие служебные свойства теплоустойчивых и жаропрочных материалов: предел ползучести и предел длитель ной прочности.

Ползучесть – непрерывная деформация металлов под действием постоянно приложенных напряжений.

Сопротивление ползучести характеризуется пределом ползучести - напряжением, которое вызывает данную скорость ползучести или заданную суммарную деформацию ползучести за определённое время при заданной температуре. Например,  = 150 МПа – означает напряжение, вызывающее в металле скорость ползучести 1× 10^-3 %/ч при 700 °С; = 150 МПа - означает суммарную деформацию ползучести 1 % за 1000 часов при 700 °С.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определённое время, соответствующее условиям эксплуатации изделия. Предел длительной прочности обозначается как напряжение , где индексы  t и τ  обозначают температуру в градусах Цельсия (°С) и время испытания в часах  до разрушения. Например,  = 250°С.

Легирование жаропрочных сталей и сплавов

Состав жаропрочных сталей и сплавов должен обеспечить высокое сопротивление ползучести и газовой коррозии в течение заданного срока службы. При выборе основы для создания жаропрочных сплавов в первую очередь учитывают величину сил межатомной связи. Чем больше силы межатомной связи у металла, тем большей жаропрочностью должны  обладать сплавы на его основе. В качестве основы служат Fe, Ni, Co, имеющие высокие температуры плавления и другие характеристики сил межатомной связи.

Существующие жаропрочные стали и сплавы представляют собой многокомпонентные твёрдые растворы на основе Fe, Ni, или Co, которые упрочняются дисперсными выделениями избыточных фаз – карбидов, карбонитридов, боридов, интерметаллидов.

Рассмотрим принципы легирования жаропрочных сталей и сплавов. При ползучести деформация осуществляется как сдвиговым путём, т. е. перемещением дислокаций, так и  диффузионным путём в основном, перемещением вакансий. Чем выше рабочая температура. тем сильнее проявляется второй механизм, контролируемый диффузией вакансий к границам зёрен и образованием и ростом пор на границах. При рабочей температуре выше 600 °С этот механизм играет основную роль. Поэтому, чтобы повысить характеристики жаропрочности, нужно уменьшить концентрацию и подвижность вакансий. Диффузионная  подвижность вакансий определяется энергией межатомного взаимодействия: чем она выше, тем в меньшей степени идут диффузионные процессы. Легирующие элементы, упрочняющие твёрдый раствор, повышающие силы связи в решётке, затрудняют диффузионные перемещения, уменьшают концентрацию и подвижность вакансий и тем самым повышают жаропрочность. Таким образом, надо ориентироваться на металлы и твёрдые растворы этих металлов, обладающих высокой энергией межатомного взаимодействия. Такие металлы, как  Cr, Mo, W, Nb, Ta наиболее сильно упрочняют твёрдый раствор, поэтому жаропрочные материалы легируют этими элементами.

Аустенитные стали с ГЦК  решёткой имеют значительно большую жаропрочность, чем стали с ОЦК решёткой. Это связано с тем, что ГЦК решётка более плотно упакована, поэтому коэффициент самодиффузии в γ-Fe на два порядка меньше, чем в α-Fe.

Проведенные испытания показали, что сопротивление ползучести при 850 °С аустенитных сплавов значительно выше, чем ферритных, причём аустенитные сплавы даже при  850 °С более жаропрочны, чем ферритные при 650 °С. Максимальной жаропрочностью должны обладать γ – твёрдые растворы, имеющие предельную легированность. Переход к двухфазным α + γ – структурам приводи к резкому снижению жаропрочности.

Чем выше температура рекристаллизации, тем выше жаропрочность, а температура рекристаллизации зависит от температуры плавления, поэтому нужно легировать элементами с высокой температурой плавления (Mo, W, Nb, Ta).

Одним из главнейших факторов жаропрочности сталей  и сплавов является образование упрочняющих фаз. Для повышения жаропрочности нужно легировать элементами, которые создают очень устойчивые к коагуляции и растворению упрочняющие фазы. Чем выше устойчивость этих фаз, тем до более высокой температуры сохраняется их упрочняющее действие. При температуре 600-700 °С такими фазами являются карбиды сильных карбидообразующих элементов (V, Nb, Ti). При более высоких рабочих температурах это интерметаллиды и прежде всего геометрически плотноупакованные γ^' – фазы типа Ni₃Al, Ni₃(Al,Ti,Nb), а также фазы Лавеса Fe₂Mo, Fe₂W, Co₂Ti,; h - фазы типа Ni₃Al, m - фазы типа  Fe₇(Mo,W)₆.  Введение в сталь сильных карбидообразующих элементов (V, Nb, Ti) связывает практически весь углерод и азот в дисперсные, устойчивые к коагуляции карбиды, которые упрочняют твёрдый раствор, и вместе с тем это позволяет молибдену и вольфраму оставаться в твёрдом растворе, значительно упрочняя его и повышая температуру рекристаллизации.

При температуре более 600 °С деформация при ползучести происходит путём межзёренного скольжения, при этом зерна перемещаются друг относительно друга вдоль общих границ в узкой приграничной области. Для  повышения жаропрочности требуется упрочнение границ.

Легкоплавкие примеси (Pb, Cd, Bi, Si и др.), обладающие очень малой растворимостью в жаропрочных сплавах, оказывают резко отрицательное влияние на их жаропрочность, даже при небольшом содержании этих элементов. Эти примеси концентрируются по границам зерен, образуют легкоплавкие соединения или эвтектики и способствуют межзёренному разрушению при ползучести. Введение в сплавы малых количеств щелочноземельных (Mg, Ca, Ba) и редкоземельных элементов (La, Ce), а также циркония и бора оказывает положительное влияние на их жаропрочность по следующим основным причинам: эти элементы очень незначительно растворяются в сплавах (поэтому их вводят в очень малых количествах - тысячные и сотые доли атомных процентов) и концентрируются в приграничных объёмах, замедляя приграничную диффузию; они имеют большое химическое сродство к кислороду, сере, азоту, водороду и образуют тугоплавкие оксиды и сульфиды. Эти элементы способны образовывать тугоплавкие химические соединения с примесями легкоплавких цветных металлов и частично нейтрализовать их отрицательное влияние.

  В порядке уменьшения эффективности влияния на жаропрочность никелевых сплавов эти добавки можно расположить следующим образом: D, La, Ce, Ba. Содержание добавки свыше оптимального уменьшает не только жаропрочность, но и технологическую пластичность сплавов.

Чем крупнее зерна, тем меньше протяженность межзёренных границ и слабее межзеренное скольжение и диффузионный перенос вакансий вдоль границ. Поэтому при рабочих температурах выше 600 С требуется создание в материалах крупнозернистой структуры.

Таким образом, состав и обработка жаропрочных сплавов должны обеспечить высокий уровень сил межатомной связи; тонкую субмикроскопическую неоднородность строения сплавов; условия для выделения оптимального количества упрочняющих фаз в наиболее эффективных для упрочнения форме и состоянии; препятствия для развития межзеренной деформации и диффузии, особенно при высокотемпературной ползучести; стабильность структуры сплавов в течение заданного срока эксплуатации; нейтрализацию вредных примесей и посредством создания тугоплавких соединений и рафинирования сплавов.

Теплостойкие стали

К теплостойким  (теплоустойчивым) сталям относятся  стали. используемые  в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, паронагревателей, паропроводов, лопаток турбин, роторов, дисков, крепёжных деталей и др. Эти же стали применяют в химическом и нефтяном машиностроении для работы при повышенных температурах. Рабочие  температуры теплостойких сталей достигают 600-650 °С, а давление газовых или жидких сред 20¸30 Мпа. Так, рабочие температуры в паросиловых установках составляют 585 °С при давлении 25,5 Мпа, а в наиболее мощных установках достигают 650 °С при 31,5 Мпа. Детали таких установок должны работать длительное время без замены  (100000 ¸ 200000 ч), поэтому заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации.

Теплостойкие стали разделяют на низколегированные и среднелегированные перлитного и мартенситного класса, на которые распространяется ГОСТ 20072 - 74, и высоколегированные хромистые стали, состав которых регламентируется ГОСТ 5632 – 72.

Перлитные стали предназначены для длительной эксплуатации при температурах до 600 °С и применяются, в основном, в котлостроении.

Необходимая теплостойкость перлитных сталей достигается комплексным легированием карбидообразующими элементами (Cr, Mo, V, Nb). Содержание каждого из этих элементов не превышает 1 %, за исключением хрома, содержание которого для повышения жаропрочности доводят до 2,5¸3,0 %. Это низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,08¸0,2 % (иногда до 0,25¸0,3 %). Низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость, и образование карбидов типа МеС, а не Ме₂₃С₆ и _Ме2С, выделение которых обеднило бы твёрдый раствор хромом и молибденом.

К сталям перлитного класса относятся 12ХМ, 12Х1МФ, 25Х2МФ, 12Х2МФСР и др.

Наиболее широкое применение при температурах 550-600 °С нашла сталь 12Х1МФ, которая применяется на всех мощных электростанциях для изготовления пароперегревателей, коллекторов, паропроводов и т.п. Наиболее часто для этих сталей окончательной термической обработкой является нормализация и последующий высокий отпуск. Так, для стали 12ХМ - нормализация (910-930 °С) и высокий отпуск (670-690 °С) с охлаждением на воздухе; для стали 12Х1МФ – нормализация (960-980 °С) и высокий отпуск (700-750 °С) с охлаждением на воздухе;  для стали 25Х2МФ – нормализация (1030-1050 °С) и высокий отпуск (650 -720 °С).

Хромистые стали мартенситного и мартенситно-ферритного класса применяются для различных деталей энергетического машиностроения, работающих при температурах 450-600 °С и отличающихся от перлитных сталей повышенной жаростойкостью в атмосфере пара или топочных газов. Хром, который повышает жаропрочность и жаростойкость, присутствует во всех сталях в количестве 5¸13 %.

Различают две группы мартенситных сталей: с содержанием 10¸12 %Cr, добавками Mo, V, W, Nb и низким, в пределах 0,10¸015 %, содержанием углерода и  сильхромы с содержанием 5¸10 %Cr, добавками кремния в количестве до 2,0¸3,0 % и повышенным содержанием углерода, до 0,4 %.

К первой группе относятся стали типа 45Х11МФБ, 18Х11МФБ, 13Х11Н2В2МФ, 13Х14Н3В2ФР и др. Оптимальный режим термической обработки сталей этой группы заключается в закалке или нормализации от 980-1100 °С (для растворения карбидов) с дальнейшим высоким отпуском при 600-740 °С. Структура термически обработанных сталей – смесь легированного феррита и мелких карбидов обеспечивает необходимую жаропрочность и сопротивление коррозии. Благодаря высокому содержанию легирующих элементов, стали глубоко прокаливаются даже при нормализации (до 120¸200 мм). При длительной работе они надёжно работают до 600 °С. Из них изготавливают диски, лопатки, бандажи, роторы паровых турбин, а также трубы пароперегревателей и детали крепления.

При высоком содержании хрома (10¸12 %) и других ферритообразующих элементов и низком содержании углерода стали становятся феррито-мартенситными (15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.). Количество феррита в этих сталях невелико (не более 10¸15 % d - феррита), поэтому по характеристикам жаропрочности они близки к мартенситным. Упрочнение этих сталей обеспечивается созданием мартенсито-ферритной основы и выделением различных карбидов (типа Ме₂₃С₆ и МеС) и фаз Лавеса Fe₂(W,Mo). Используется в термически упрочненном состоянии после закалки (нормализации) и старения (высокого отпуска).

Сильхромы (40Х9СА, 40Х10С2М и др.) повышенной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания. Оптимальные свойства сильхромы имеют после закалки с 1030-1050 °С и дальнейшего отпуска при 720-780 °С на структуру сорбит. В сталях без молибдена охлаждение после отпуска быстрое во избежание отпускной хрупкости. Чем больше содержание хрома и кремния, тем выше рабочая температура. При длительной эксплуатации сильхромы могут применяться  до 600-650 °С.

Жаропрочные стали аустенитного класса

Эти стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температурах выше 600С. В интервале температур от 600 до 750С используют аустенитные стали трех групп:

1) гомогенные стали;

2) стали с карбидным или карбонитридным упрочнением;

3) стали с интерметаллидным упрочнением.

Гомогенные стали

К этой группе относятся главным образом низкоуглеродистые хромоникелевые стали, дополнительно легированные элементами, упрочняющими γ - твердый раствор (10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 10Х14Н16МВБ, 10Х14Н18В2БРЧ). Их жаропрочность обеспечивается в основном растворенными в твердом растворе легирующими элементами. Термин « гомогенные стали» следует понимать условно, так как в структуре этих сталей обычно присутствует количество карбидов и карбонитридов титана или ниобия. Гомогенные аустенитные стали используются преимущественно в энергомашиностроении для изготовления труб паронагревателей и паропроводов, арматуры установок сверхвысоких параметров и рассчитаны на длительную службу при 650-700С. При легировании этих сталей стремятся получить максимально стабильную аустенитную структуру, избежать или замедлить выделение вторых фаз( карбиды, карбонитриды, фаз Лавеса), что позволяет иметь необходимый уровень длительной прочности и пластичности в течение всего ресурса эксплуатации. Важно для этих сталей обеспечить также высокое технологические свойства, такие как способность к горячей пластической деформации, прошиваемость при изготовлении цельнотянутых труб, свариваемость и др. Эти цели достигаются легированием стали содержат 13-15 %Cr , обеспечивающего жаропрочность и жаростойкость . Чтобы получить стабильную аустенитную структуру добавляют аустенито-образующие элементы Ni, Mn , иногда N.

В основе сталей лежат композиции Cr-Ni, Cr-Mn, Cr-Ni-Mn. В Cr-Ni композициях для получения стабильной аустенитной структуры отношение Ni/Cr должно быть больше 1. Углерода мало (0,06¸0,12 %). чтобы не образовывались карбидные фазы типа Ме₂₃С₆, которые выводят Cr из твёрдого раствора, что снижает жаропрочность и жаростойкость, а также, чтобы обеспечить хорошую свариваемость и пластичность. в состав сталей вводят сильные карбидообразующие элементы Ti, Nb, V, образующие карбиды  МеС и карбонитриды Me(C,N), которые препятствуют образованию карбидных фаз типа Ме₂₃С₆ и обеднению хромом твёрдого раствора. Это обеспечивается соотношением   Ti, Nb/С > 10. Повышенная жаропрочность таких сталей объясняется высокой легированностью твёрдого раствора такими элементами, как W (2¸5 %) и Мо (до 2,5 %). Наличие стабильных карбонитридных фаз и высоколегированного аустенита обуславливает высокие температуры рекристаллизации сталей этого типа. 

Многими исследователями также отмечается положительное влияние бора и редкоземельных металлов на жаропрочность сталей этого типа. Бор, церий и другие редкоземельные элементы являются сильными раскислителями, поэтому в их присутствии уменьшается содержание газов и неметаллических включений в сталях, что повышает их качество. Влияние малых добавок РЗМ и бора на сопротивление ползучести также связывают с их горофильностью, т.е. способностью адсорбироваться по границам зерен, что затрудняет зернограничную диффузию и упрочняет границы. Кроме того, бор образует в сталях сложные бориды типа Ме₂₃В₂ и Ме₂В, которые обладают высокими температурами плавления. Зависимость длительной прочности от содержания бора имеет экстремальный характер. Это связано с тем, что при высоком содержании бора ( > 0,3 %) в большом количестве образуются крупные бориды, которые обедняют твердый раствор ниобием, вольфрамом, хромом и другими элементами. Кроме того, бор обладает увеличенной склонностью к ликвации и образованию строчечной структуры, а что отрицательно сказывается на их пластических и жаропрочных свойствах.

Таким образом, микролегирование аустенитных сталей бором и РЗМ оказывает положительное влияние на жаропрочность и пластичность как вследствие рафинирующего действия при выплавке, так и упрочнения границ зерен благодаря их горофильности.

Термическая обработка аустенитных гомогенных сталей состоит из закалки (аустенизации) от высоких температур (1050¸1200 °С) или аустенизации и стабилизирующего отпуска (700¸750 °С) и преследует цель получить более однородный  γ – твёрдый раствор, заданную величину зерна (балл 3¸6) и стабильную структуру, а также напряжения, которые могут возникнут в процессе изготовления деталей. Следует отметить, что улучшение служебных характеристик и удешевление сталей этого типа обычно связывают со следующими направлениями исследований: оптимизация состава сталей, в частности, частичная замена никеля марганцем и азотом, использование сталей в наклёпанном состоянии (холодная деформация или термомеханическая обработка),особенно при рабочих температурах более низких, чем температура рекристаллизации; более широкое использование легирования сталей бором, р.з.м.; усовершенствование технологии выплавки, обработки давлением и режима термической обработки.

Применяются  аустенитные  гомогенные стали в энергомашиностроении дл изготовления труб паронагревателей и паропроводов, длительное время работающих при 600¸700 °С, а также крепёжных деталей.

Стали с карбидным и карбонитридным упрочнением

Стали с карбидным упрочнением предназначены для работы при температурах 650¸750 °С и, довольно, высоких уровнях напряжений (37Х12Н8Г8, 37Х12Н8Г8МФБ).  Их используют для изготовления деталей энергомашиностроения  (диски и лопатки турбин, крепёжные детали и др.).

Основу сталей с карбидным упрочнением составляют Cr-Ni, Cr-Ni-Mn – аустенит, содержащий 0,25¸0,5 % углерода.

Никель частично может быть заменен менее дефицитным марганцем.

Карбидообразующие элементы  Nb, V, W, Мо связывают часть углерода в специальные карбиды, а также упрочняют матрицу.

Упрочняющими карбидными фазами в аустенитных сталях в основном являются карбиды ванадия и ниобия (VC, NbC), а также карбиды хрома. Последние обычно растворяют в себе другие элементы, поэтому состав этих карбидов изменяется в зависимости от легирования стали и режима термической обработки.

Карбиды ванадия выделяются при старении в высокодисперсном состоянии и обеспечивают значительную долю упрочнения этих сталей.

Специальные карбиды типа МеС в процессах старения практически не участвуют, так как имеют высокие температуры растворения при аустенитизации, карбиды и карбонитриды ниобия начинают растворяться только после нагрева выше 1250 °С, а в основном при­сутствуют в сталях в виде первичных выделений. Положительная роль этих фаз заключается в том, что они препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве, и, в частности, образованию разнозернистости.

Термическая обработка включает закалку с температур 1150¸1200 °С и старение при температурах 780¸1200 °С. 

Стали с интерметаллидным упрочнением

Жаропрочные хромоникелевые стали с интерметаллидным упрочнением, а также сплавы на хромоникелевой основе с высоким содержанием никеля (до 38 %) нашли применение при изготовлении компрессоров. турбин , дисков, сварных изделий, шпилек, болтов и других деталей, работающих при температурах до 750¸850 °С. Легирование сталей этого типа преследует цель создания высоколегированного железоникелевого аустенита, обладающего склонностью к распаду при старении, и образования  фаз-упрочнителей - интерметаллидных фаз типа γ^' (Fe,Ni)₃(Al,Ti,Nb) и фаз Лавеса Fe₂Mo, Fe₂W, Fe₂(Mo,W)/

Стали с интерметаллидным упрочнением содержат 12¸15 %Cr, менее 0,1 %С, до 3,5 % Мо и W, повышенное количество Al, Ti, Nb для образования интерметаллидных фаз. Примерами таких сталей могут быть Х14Н35ВТЮ, 08Х14Н35ВТЮРЧ и др.

Эти стали подвергают закалке с высоких температур (1100¸1180 °С) и старению при 750¸800 °С в течение 15¸25 ч с охлаждением на воздухе.

Жаропрочные сплавы на основе никеля , кобальта,

тугоплавких металлов

Сплавы на никелевой основе применяют в каче­стве жаропрочных материалов, предназначенных для работы при температурах от 700 до 1100 °С. Их используют в газовых турбинах двигателей самолетов, кораблей, энергетических установок, при из­готовлении деталей ракетно-космической техники, в нефтехимиче­ском оборудовании. Так,, в авиационном газотурбинном двигателе более 70 % массы составляют жаропрочные сплавы на никелевой и железоникелевой основах - это диски, сопловые и рабочие лопатки турбин, камеры сгорания и т.п. Резко возросло применение этих сплавов и при изготовлении стационарных газовых турбин, так как повышение рабочих температур позволяет значительно улучшить их технико-экономические показатели.

Несмотря на сложность составов, можно сформулировать следующие основные принципы жаропрочных никелевых сплавов:

1. Жаропрочные сплавы представляют собой  γ – твёрдый раствор на хромо-никелевой основе, легированный кобальтом и тугоплавкими элементами-упрочнителями (Nb, W, Мо ).

2. В сплавах обязательно присутствуют титан, ниобий и алюми­ний (суммарно до 8¸10 %), которые в основном обеспечивают обра­зование главной упрочняющей фазы этих сплавов γ' - фазы.

3. Присутствующие в сплавах хром и алюминий обеспечивают сопротивление окислению и газовой коррозии вследствие образова­ния защитных пленок, богатых оксидами Сr₂О₃ и А1₂Оз.

4. Углерод содержится в сплавах в небольших количествах (обычно 0,08¸0,12 %), образуя карбиды и карбонитриды.. Сущест­венное влияние оказывает также бор, который вводится в сплавы в количествах 0,005¸0,015 % и образует бориды типа МеВ₂. Кине­тика выделения и морфология карбидных и боридных фаз при кристаллизации, термообработке и в процессе эксплуатации также в значительной степени определяет жаропрочность сплавов на ни­келевой основе.

5. Важное значение имеют в никелевых сплавах легкоплавкие примеси (Pb, Cd, Ag, Sb, S), содержание которых следует ограничи­вать, так как они снижают их жаропрочные и технологические свой­ства. Уменьшение количества примесей возможно благодаря приме­нению чистых шихтовых материалов, введению р.з.м. и обработке расплавов специальными шлаками, применением различных методов специальной металлургии (ЭШП, ЭЛЛ, ВДУ и др.).

Таким образом, жаропрочность, жаростойкость и другие харак­теристики сплавов на никелевой основе связаны с оптимизацией их состава по соотношению легирующих элементов, входящих в мат­ричный  γ - твердый раствор и упрочняющие интерметаллидные, кар­бидные и боридные фазы, а также с уровнем содержания вредных легкоплавких примесей.

Выбор состава сплава следует проводить с учетом его рабочей температуры, напряжений, агрессивности среды, ресурса и режима работы.

В сплавы, предназначенные для работы при сравнительно не­высоких температурах (750¸850 °С) длительное время, вводят по­вышенное количество хрома (до 16¸18 %), молибдена и вольфра­ма (до 10¸12 % суммарно), титана, ниобия и алюминия (8¸10 % суммарно). Это дает возможность получить большое количество упрочняющей γ'- фазы, высокую легированность и жаропрочность матрицы.

Для высокотемпературной (975¸1050 °С) работы важно положе­ние температуры солидуса сплава. Поэтому в сплавах ограничивают содержание хрома (6¸10 %), молибдена (3¸4 %) и титана. Введение дополнительно кобальта и вольфрама несколько повышает темпера­туру солидуса, что полезно.

Применяемые никелевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные.

Термическая обработка Сплавов на никелевой основе заключа­ется в закалке (иногда двойной закалке от разных температур) и старении, которые проводят в одну или две стадии: низко- и высо­котемпературные.

Цель такой сложной термической обработки - обеспечить наи­более оптимальное сочетание количества и морфологии упрочняю­щих фаз в сплавах и, следовательно, благоприятное сочетание ха­рактеристик жаропрочности и пластичности.

Для деформируемых сплавов первую закалку проводят с целью гомогенизации структуры, растворения  γ '- фазы и карбидных фаз. Чем  легированнее сплав, чем больше в сплаве упрочняющей γ '-фазы, тем выше температура закалки. Так, сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437Б), нимоник 80 (в которых содержится около 10 % γ ' - фазы) закаливают от 1080 °С, а сплавы ХН55ВМТКЮ (ЭИ929), нимоник 110, 115 (35¸45 % γ ' - фазы) - от 1200 °С. После такой обработки сплав состоит в основ­ном из          γ - матрицы, первичных карбидов МеС и в сложнолегированных сплавах небольшого количества γ ' - фазы, которая образуется в про­цессе охлаждения на воздухе.

В лекции "8 Обязательное право" также много полезной информации.

Вторую закалку проводят от 1040¸1100 °С. В результате про­исходит повторное растворение γ ' - фазы и ее выделение при охлаждении в более дисперсном виде, но главная цель этой обработки - образование выделений карбидных фаз благоприятных типов и мор­фологии, в частности стремление избежать образования сплошной пленки карбидов типа Ме₂₃С₆ по границам зерен и добиться образо­вания зернистых карбидов типа МеС и Ме₇Сз.

Старение при повышенных температурах (обычно выше рабо­чих температур) проводят для выделения  γ ' - фазы и стабилизации структуры сплава, а окончательное низкотемпературное старение для дополнительного выделения    γ ' - фазы в мелкодисперсном виде.

Литейные сплавы также можно подвергать высокотемпературной закалке, которая гомогенизирует их структуру и способствует более равномерному выделению упрочняющих фаз. Старение этих сплавов чаще проводят в одну высокотемпературную стадию, так как литейные сплавы обычно работают при более высоких темпера­турах. Иногда эти сплавы используют непосредственно в литом со­стоянии, причем старение происходит в процессе эксплуатации.

Жаропрочные сплавы на основе кобальта имеют более низкие характеристики жаропрочности по сравнению со сплавами на основе никеля, но имеют более высокую жаростойкость – сопротивление газовой коррозии , особенно в продуктах сгорания топлива, содержащего серу. Поэтому из них изготовляют сопловые и рабочие лопатки мощных газовых турбин.

Структура сплавов: аустенитная  γ ' – матрица с г.ц.к. структурой, упрочняющие фазы – карбиды, карбонитриды, бориды., фазы Лавеса. Содержание никеля в кобальтовых сплавах 10¸30 %. Он стабилизирует аустенитную структуру. Хром обеспечивает высокую жаропрочность и жаростойкость; его содержание, обычно, 18¸20 %. Кроме того. в сплавы вводят до 10 % W или Мо и W (суммарно), а также Nb, Ti, V. Молибден и вольфрам являются одновременно упрочнителями твёрдого раствора и частично входят в карбидные фазы, а Nb, Ti, V, в основном, присутствуют в карбидах. В кобальтовых сплавах, обычно, образуются карбиды МеС, Ме₆С, Ме₇С₃, Ме₂₃С₆, Для образования карбидов в этих сплавах содержание углерода повышено и составляет 0,25¸1,0 %.

Сплавы на основе тугоплавких металлов (Ni, Mo, Cr, Ta, W, Re) применяются при рабочих температурах до 2200 °С. Так, сплавы на основе молибдена работоспособны  до 1300¸1400 °С; на основе тантала – до 2000 °С, а на основе вольфрама – до 2000¸2200  °С.