симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 1), страница 5

В ряде случаев матричные карбиды, как продукт твердофазных реакций, выступают в качестве точечных упрочнителей. Карбиды (и Уг, и В) оказывают благоприятное влияние на границы зерен. Однако современному поколению монокристаллических сплавов Сг, Ег и В, как правило, не нужны, ибо в этих сплавах нет границ зерен. Итак, на протяжении многих лет (1950-1970) все большие количества различньбх элементов вводили в суперсплавы, чтобы оказать определенное влияние на их механические и химические свойства, В 1980-х гг. оказалось, что достигнув максимального уровня свойств, начинают удалять из сплавов некоторые элементы, восполняя их роль усовершенствованием процессов обработки, В табл,1.1 сравнивают составы двух сплавов, разработанных в 1930-х гг., с составами ряда сплавов, получивших распространение в наши дни.

Важно заметить„ однако, что большинство сплавов-ветеранов продолжают жить. В частности, [ч[топк 80А, 1псопе[ Х и Х-40 предназначаются сегодня для многих критически важных деталей, где их свойства по-прежнему приемлемы. Состав аустенитных суперсплавов очень сложен 22 (см.табл.1.1.). Большая доля основы (%+Со — примерно 50 %) — добавка, повышающая стойкость поверхности (Сг— примерно 10-15%) и элементы, образующие т'-фазу (А!+Т1— около 4-8%).

Такая схема установилась примерно три десятилетия назад и в настоящее время меняется незначительно. Наиболее популярная "акция" сегодня — изменение содержания малых добавок — является результатом интуитивных решений. Согласно классической равновесной металлургии химический состав сплава определяет, какие твердые фазы в нем присутствуют. В свою очередь фазы порождают видимую микроструктуру.

Поэтому в физическом понимании суперсплавы характеризуются хцаически.а состава.а, фазовы.а состава.а и .аикроструктурой. Фазовому составу суперсплавов посвящен следующий раздел. 'о ьт е м ог ю с ) а о о~ о ст Фазовый состав о от 00 00 о 8 Щ о,~ 3М ь М об о о Х00 ~м-~ ~ о~~ММ й8 ь; М$ Мо. $М ~-ЯЙ :~й М ум 8 о йй8 На рис.1.5 приведены наиболее важные физические фазы (идентифицированные за последние 50 лет), которые ответственны за уникальное упрочнение суперсплавов. Некоторые фазы пагубно влияют на поведение суперсплавов. Они также идентифицированы.

Конечно, все фазы потенциально способны реагировать друг с другом и с матрицей сплава. В наиболее тяжелом режиме эксплуатации конструкционный суперсплав превращается в нагретый до белого каления объект, в котором в условиях химической динамики, твердые фазы претерпевают непрерывное изавнение при температурах. лишь на несколько градусов ниже температуры плавления. Матрица суперсплавов всегда представляет собой плотно- упакованную аустенитную фазу с решеткой г.ц.к. Рис. 1.6 иллюстрирует область структуры г.ц.к. в трех удобных пространственных изображениях в виде простой тройной фазовой диаграммы, типичной четверной и полярной. Аустенит появляется из небольшой области г.ц.к.

в системе ге-Сг, введение никеля или кобальта приводит к расширению этой области. В большинстве случаев железо практически полностью исключают из состава сплавов. Таким образом, у истоков суперсплавов находится нержавеющая сталь. Основной вклад в уровень механической надежности сплава вносит твердорастворное упрочнение матрицы.

Избранные варианты 25 Ф о к И Ы $ у и $ х чз Й подобных фазовых диаграмм приведены в приложении А. Карбидные фазы оставались главными упрочняюшими фазами матрицы вплоть до 1929-1930 гг., когда удалось образовать в аустените кубическую 7'-фазу (7'-1 11зАЦ. Она присутствовала и в английском сплаве Хгшопзс 80, и в немецком ТгвЫвг. Это необычная упрочняющая фаза, ибо по составу она очень близка к матрице, может быть обильно легирована, ее прочность увеличивоется с росто.и температуры, она обладает собственной высокой противоокислительной стойкостью.

Далее, в начале 1950-х работы Айзельштайна (ЕсяеЫеп) над сплавом 1Х-718 привели к опсрытию уникальной фазы у". В то время как фаза у' имеет простую решетку г.ц.к., решетка фазы 7" — объемноцентрированная тетрагональная (о.ц.т.), т.е. представляет собой упаковку из лвух кубов. Сг 4.

яп 1аил гхм! Рис.1.6. Фазовые диаграммы, илляктрирующие обласгь тг -фазы с решеткой г.н.кс основа для разработки аусгенитных суперсплавов: а — тройная диаграмма состояния системы Ьб — Со-Сг при 1200 оС; б — четверная диаграмма состоания Со-гч1 — Сг — Мо при 1200 оС; а — непарная диаграмма состоянна сплавов на основе Сг — 1Оцг в зависимости от содеркания легирующих адамантов перного длинного периода таблипы Менделеева В настоящее время в никелевых и кобальтовых суперсплавах присутствуют главным образом карбиды типа М С и М,С, легко поддающиеся воздействию термической обработки. Медленно распадающиеся карбилы типа МС используют в качестве стока для углерода в процессе эксплуатации сплавов.

Подробности поведения т'-фазы приведены в главах, посвященных сплавам конкретного класса. Если легирование превышало способность аустенитнои 27 матрицы сдерживать фазообразование, возникали такие нежелательные соединения, как фазы р, О, Лавеса. Задача металлурга, работающего с данным сплавом, — избежать подобных явлений, пользуясь различными средствами управления формообразованием (см.гл.8). Не так давно "металлургия фазовых диаграмм" вышла на новый уровень познания и практической разработки опытных эвтектических суперсплавов, упрочняемых непрерывными направленными эвтектическими пластинами, которые образуются в процессе затвердевания расплава.

Какие фазы образуются в суперсплавах, каковы процессы их возникновения и реакции, как ими управлять — вот основные сведения, необходимые для успешной разработки состава сплавов и технологии их обработки. Микроструктурн Образование фаз определяется химическим составом, а фазы, в свою очередь, порождают микроструктуру. Мы уже упоминали, что первые металлурги, разработавшие супер- сплав, не замечали тончайших когерентных частиц преципитата т'-фазы, которые сделали их сплавы прочными и эффективными. И только с появлением электронной микроскопии 1950-х гг.

начали по настоящему понимать видимую (т.е, физическую) связь поведения суперсплавов с типом и чрезвычайной сложностью образующих его фаз. Еще позднее разобрались во взаимодействии дислокаций с элементами структуры сплавов системы у/у'. На рис.1.7 представлен набросок микроструктуры супер- сплавов при увеличении около 10000 (оригинал уменьшен примерно в 4 раза) в виде панорамы ее 50-летнего развития, которое сопровождалось непрерывным возрастанием прочности в сочетании с приемлемой пластичностью. Этому сочетанию соответствует структура в зоне, составляющей верхние две трети рисунка. В структуре нижней трети рисунка присутствуют некоторые фазы, которые, как оказалось, вызывают охрупчивание, снижение прочности н порождают ряд других проблем.

С начала 30-х и 50-х гг. нашего века для повышения прочности сплавов стремились все более "наполнить их структурой". В 50-х годах усилилось стремление ввести в М 1940 1950 1900 Ю70 1900 Рисд.7. Панорама развития микроструктуры никелевых суперсплавов; приведены и полезные н вредные фазы [7] (Р — ранновесные выделения ЗЗ-фазы; ДУ вЂ” при дисперсном упрочнеиии оксиднымн частицами; FК вЂ” при направленной кристаллизации; МК вЂ” в монокристалле; КК вЂ” фаза в виде "кирпичной" кладки;  — волокна ТаС; И — игольчатые выделанна ЬгззСе сплав побольше упрочняющих элементов, однако в конечном счете это привело к значительным затруднениям, вызвав появление охрупчивающих фаз, таких как фазы о или Лавеса.

50-е годы стали свидетелями и создания очень сложной структуры границ зерен. Карбиды там были заключены в оболочку из у'-фазы, так что зерна скреплялись друг с другом посредством дисперсно-упрочненного слоя. В 1970 г. открыли гафниевый эффект, и структура с карбидами в оболочке т'-фазы стала менее актуальной. Гафний повышает прочность и пластичность в значительной мере "механически", поскольку вызывает закручивание границ зерен. Помимо этого он участвует в образовании дополнительных количеств т'-фазы [10).