Повышение жаропрочности и жаростойкости сплава системы «хром-никель» на основе обоснования рациональных режимов термической обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кубаткин Владимир Сергеевич

• Кубаткин Владимир Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Кубаткин Владимир Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ И ЖАРОСТОЙКИХ СПЛАВОВ. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ

ХРОМА

1.1 Условия эксплуатации жаропрочных материалов

1.2. Показатели жаропрочности и их использование для разных условий эксплуатации

1.3. Жаропрочные материалы для различных условий эксплуатации

1.4. Жаростойкость. Жаростойкие сплавы

1.5. Обоснование выбора объекта исследования

1.6. Анализ данных литературного обзора. Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Получение заготовок. Термическая обработка

2.2. Исследование структуры

2.3. Определение механических свойств

2.4. Определение жаростойкости

2.5. Определение шероховатости поверхности

2.6. Тепловая выдержка. Прогнозирование свойств

2.7. Обработка экспериментальных данных

2.8. Промышленные испытания

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Х65НВФТ

3.1. Влияние химического состава в пределах марки на технологическую пластичность сплава

3.2. Структура и свойства сплава в состоянии поставки

3.3. Влияние термической обработки на структуру и свойства сплава. Природа упрочнения

3.4. Характер разрушения сплава в зависимости от режимов предварительной термической обработки и температуры механических испытаний. Деформационные кривые

3.5. Свойства сплава в зависимости от режимов термической обработки

3.6. Устойчивость при тепловой выдержке. Возможность прогнозирования свойств

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ЖАРОСТОЙКОСТЬ СПЛАВА

Х65НВФТ

4.1. Термическая обработка и структура исследованных сплавов

4.2. Кинетика окисления

4.3. Влияние исходной структуры сплава на структуру оксидного слоя и кинетику окисления

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение жаропрочности и жаростойкости сплава системы «хром-никель» на основе обоснования рациональных режимов термической обработки»

Актуальность темы исследования.

Эксплуатация ряда деталей в энергетике, в том числе ядерной, транспорте, нефтехимических производствах и других промышленных отраслях характеризуются высокими температурами. Работа этих отраслей невозможна без применения специальных, функциональных материалов - жаропрочных, сохраняющих необходимые свойства при высоких эксплуатационных температурах.

Для ряда деталей, наряду с жаропрочностью, необходимым условием, обеспечивающим возможность их эксплуатации, является жаростойкость.

Это не только детали космической и авиационной техники, но также детали установок, эксплуатируемых во многих отраслях машиностроения: нагревательные элементы электропечей, элементы электротехнических машин и установок, двигателей внутреннего сгорания, термическая оснастка, термическое оборудование.

Жаропрочность материала зависит от силы межатомных связей и характеризуется температурой плавления, наиболее высокой (выше 1700°С) у тугоплавких металлов- V, МЬ, Та, Сг, Мо, W и сплавов на их основе.

Жаростойкость, металлов и сплавов достигается за счет образования на поверхности устойчивой оксидной пленки, предотвращающей или замедляющей процессы взаимодействия агрессивной среды с металлом.

Повышение эксплуатационных свойств сплава позволяет увеличить температуру и (или) увеличить срок эксплуатации деталей, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.

Разработанная методика позволит прогнозировать время сохранения свойств при заданной температуре (тепловой выдержке).

В отличие от всех тугоплавких металлов только хрому (и сплавам на его основе) присуща жаростойкость.

Степень разработанности темы исследования.

Жаропрочные сплавы на основе хрома были созданы в разных странах СССР, США, Австралии примерно в одно время - середина 20 века (И.О Панасюк, Г.В. Карсанов, Ч.Симс, В.Хагель).

Но эти сплавы обладали крайне низкой пластичностью, были нетехнологичны, и поэтому долгое время не находили практического применения. Это было свойственно и аналогу объекта исследования сплаву ВХ4, который был разработан И.О. Панасюком в 50-е годы прошлого века. В 21 веке, развитие металлургических технологий позволило резко снизить содержание вредных примесей в сплаве и повысить его пластичность. Появилась возможность пластической деформации сплава (В.Н. Бутрим).

В состоянии поставки (после экструзии и отжига) сплав изучал ряд исследователей: Адаскин А.М., Каширцев В.В., Сапронов И.Ю., Румянцева С.Б. Работы были посвящены улучшению технологичности (обрабатываемость резанием), повышению механических свойств за счет микролегирования. Изучению теплофизических свойств сплавов системы «хром -никель» посвящена работа Глаголевой Ю.В.

Однако предмет исследования, а именно улучшение жаропрочности и жаростойкости сплава Х65НВФТ за счет термической обработки, не исследован.

Более того, в отечественной научной литературе (С.Б. Масленков, Ф.Ф. Химушин, Б. Н. Арзамасов) жаростойкость сплавов связывалась с их химическим составом. В работе Ч. Симса и В. Хагеля высказывалось предположение о возможном влиянии структуры сплавов на скорость роста оксида Сг203, однако, это не подтверждалось экспериментальными данными.

Цель работы: улучшение эксплуатационных свойств сплава Х65НВФТ: повышение кратковременной прочности и жаростойкости за счет обоснования и разработки рациональных режимов термической обработки.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие основные задачи:

1. Установить влияние режимов термической обработки на: - структуру и кратковременные механические свойства сплава Х65НВФТ;

- механизмы разрушения сплава Х65НВФТ при 20°С и высоких эксплуатационных температурах;

2. Установить влияние режимов термической обработки на механизм и параметры высокотемпературного окисления сплава Х65НВФТ.

3. Обосновать и разработать режимы термической обработки сплава Х65НВФТ для получения различного сочетания свойств, применительно к условиям эксплуатации изделий.

4. Разработать методику прогнозирования свойств сплава Х65НВФТ при тепловой выдержке.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Зависимости типа деформационных кривых и характера разрушения сплава Х65НВФТ от температуры испытаний (20, 800, 900, 1000 и 1100°С) и режимов предшествующей термической обработки.

2. Взаимосвязь между структурой сплава и величиной прироста массы оксида на параболической стадии высокотемпературного окисления при беспористом, плотном оксиде хрома Cr2O3

3. Взаимосвязь между структурой сплава и интенсивностью высокотемпературного окисления на линейной стадии окисления при пористом оксиде хрома Cг2Oз.

4. Возможность использования зависимости Холломона для прогнозирования свойств сплава после тепловой выдержки.

5. Технологии термической обработки для достижения:

- максимальных значений кратковременной прочности;

- минимальной склонности к окислению для разной длительности эксплуатации.

Методы исследования.

При выполнении работы использованы современные методы исследования структуры и свойств материалов: количественный и качественный металлографический и рентгенофазовый анализы, микрорентгеноспектральный и электронографический анализы; определение механических свойств при 20, 600,

800, 900, 1000, 1100 °С; определение относительного привеса при испытаниях на жаростойкость при 1100°C в условиях термоциклирования в соответствии с требованиями ГОСТ 6130-71.

Механические свойства сплава и склонность сплава к циклическому окислению изучались после различных режимов термической обработки.

Научная новизна диссертационного исследования.

1. Установлена зависимость кратковременных механических свойств и характера разрушения сплава от структуры, формируемой различными режимами термической обработки, и температуры испытаний: выше и ниже эквикогезивной.

2. Выполнена количественная оценка жаростойкости сплава Х65НВФТ при 1100°C (максимальной возможной температурой эксплуатации), а именно, взаимосвязь между удельным приростом массы за счет образовавшегося оксида и временем циклического (в условиях теплосмен) окисления в зависимости от исходной структуры сплава, сформированной различной термической обработкой.

3. Впервые установлена зависимость величины зон оксидного слоя (оксид, переходный слой, подслой) от исходной структуры сплава, сформированной различной термической обработкой.

4. Установлена возможности прогнозирования свойств сплава «металл -металл» типа твердый раствор замещения в зависимости от времени и температуры выдержки с использованием параметра Холломона (Hollomon- Jaffe parameter).

Теоретическая значимость работы

1. Установлена зависимость между структурой сплава, формируемой различными режимами термической обработки, и характером разрушения при цеховой (20°C) и высоких температурах.

2. Установлено влияние вторичной, выделяющейся из пересыщенного твердого раствора, «мягкой» фазы на прочность при температурах выше и ниже эквикогезивной.

3. Установлена взаимосвязь между кинетикой окисления и жаростойкостью при прерывистом нагреве.

4. Доказана возможность применения зависимости Холломона для сплава типа твердый раствор замещения «металл-металл» и разработана методика определения параметров зависимости Холломона.

Практическая значимость работы

Результаты диссертационной работы апробированы на НПК им Воронина АО «РСК «МиГ», ООО «Дело Техники». Результаты теоретических исследований внедрены в учебный процесс в курсах бакалавриата «Материаловедение» направлений 15.03.01 Машиностроение, 15.03.02 Технологические машины и оборудование, 15.03.04 Автоматизация технологических процессов и производств, а также в курс «Механические и физические свойства материалов» для магистратуры направления 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН».

Объектом настоящего исследования является сплав Х65НВФТ на основе хрома системы «Сг - №» (Сг - основа; № - 31-33%).

Предметом исследования является теория и практика повышения эксплуатационных свойств сплава Х65НВФТ - жаропрочности и жаростойкости путем термической обработки.

Сплав изучен недостаточно. Сплав исследован только после горячей пластической деформации и последующей изотермической выдержки при 900° С. Не установлены взаимосвязи между структурой, формируемой различными технологиями термической обработки, механическими свойствами, характером разрушения, а также жаростойкостью. Это не позволяет полно реализовать возможности повышения эксплуатационных свойств сплава за счет термической обработки, получить различные сочетания комплекса свойств «жаропрочность -жаростойкость» оптимальных для эксплуатации в разных условиях. Вместе с тем анализ диаграммы состояния «№ - Сг» показывает возможность изменения структуры и, таким образом, свойств сплава за счет термической обработки. Не

выполнена оценка устойчивости сплава к тепловой выдержке - важной характеристики жаропрочности. Это не позволяет определить области рационального применения сплава.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались

На международных, отраслевых и общероссийских конференциях:

-X Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов" (г. Москва, ИМЕТ РАН РФ, 2013 г.)

- Международных научных чтениях им. чл.-корр. СССР И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов» (г. Москва, ИМЕТ РАН, 2014 г., 2016г.);

- VI международная конференция с элементами научной школы для молодежи «функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, ИМЕТ РАН РФ, 2016г.)

- XV всероссийская конференция с международным участием «Машиностроение: традиции и инновации (МТИ - 2022) (г.Москва, 2022 г.,)

- X Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы науки и техники. Инноватика» (г. Уфа, 2023 г.)

На заседании Технического Совета ОАО КОМПОЗИТ

В полном объеме диссертация заслушана - на расширенном заседании кафедры «Композиционные материалы» ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 6 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи в журналах, входящих в реферативную базу Scopus и WoS, 7 статей в материалах международных, всероссийских и республиканских конференций, получены 2 патента РФ «Способ термической обработки жаропрочного и жаростойкого сплава Х65НВФТ», «Способ изготовления изделия из сплава Х65НВФТ».

Достоверность результатов подтверждается тем, что работа базируется на фундаментальных теориях материаловедении, разрушения и высокотемпературного окисления металлов и сплавов; использованием при выполнении работы современных методик исследования; совпадением сравнимых результатов, полученных в настоящем исследовании, с литературными данными.

Достоверность полученных результатов также подтверждается результатами статистической обработки экспериментальных данных.

Она подтверждается также промышленными испытаниями деталей, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.

Личный вклад автора в диссертационную работу. Автор определил цели и задачи исследования, разработал методику проведения экспериментов, самостоятельно выполнил эксперименты по термической обработке, механическим испытаниям, рентгено-фазовому анализу и испытания на склонность к окислению; обработал результаты экспериментов и на этом основании установил влияние режимов термической обработки сплава Х65НВФТ на его структуру и кратковременные механические свойства, механизмы разрушения сплава Х65НВФТ при 20°С и высоких эксплуатационных температурах, механизм и параметры высокотемпературного окисления; разработал режимы термической обработки для получения различного сочетания свойств сплава Х65НВФТ, применительно к условиям эксплуатации изделий; разработал методику прогнозирования свойств сплава Х65НВФТ при тепловой выдержке.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует паспорту специальности 2.6.17 Материаловедение.

В соответствии с п.1 паспорта специальности выполнены теоретические и экспериментальные исследования и установлены связи структуры с комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств с целью обеспечения

надежности и долговечности деталей установок и машин, эксплуатируемых в химической, нефтехимической, энергетической, машиностроительной отраслях.

В соответствии с п. 2 установлены закономерности физико-химических процессов в гетерогенных структурах, сформированных различной технологией термической обработки, при высокотемпературном окислении сплава.

В соответствии с п. 5. установлены закономерности разрушения сплава в зависимости от действия механических нагрузок и внешней среды (температуры).

В соответствии с п. 10. разработаны способы повышения коррозионной стойкости (жаростойкости) сплава для различных регламентируемых сроков эксплуатации.

В соответствии с п. 13 разработан метод прогнозирования и возможности оценки остаточного ресурса сплава в условиях тепловой выдержки

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 144 страницы, включая 56 рисунков, 27 таблиц, 7 формул, 4 приложения и список использованных источников из 82 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ И ЖАРОСТОЙКИХ СПЛАВОВ. СПЛАВЫ

НА ОСНОВЕ ХРОМА

1.1 Условия эксплуатации жаропрочных материалов.

Эксплуатация жаропрочных сталей и сплавов происходит при высоких температурах: 0,3-0,5 Тпл [1] и выше (Тпл. - температура плавления, К). Условия эксплуатации при этих температурах могут существенно различаться, при этом работоспособность (живучесть материала) может зависеть от его механических и теплофизических характеристик.

Основное различие условий эксплуатации - это регламентируемый срок службы изделия. В работе [1] предлагается следующая градация условий эксплуатации жаропрочных материалов в зависимости от срока службы изделия (час):

- кратковременный - до 100;

- ограниченный - от 100 до 1000;

- длительный - от 1000 до 10000;

- весьма длительный - свыше 10000.

Эти сроки службы (час) можно с некоторой степенью приближения отнести к следующим изделиям:

- ракеты и их силовые установки - 1

- силовые установки самолетов - 100-1000

- турбины локомотивов и судов - 10 000

- турбины стационарных силовых установок - 30000-100000.

По условиям приложения нагрузки можно принципиально выделить два полярных условия эксплуатации жаропрочных материалов и целый ряд промежуточных условий нагружения [2; 3].

1. Материал длительно работает при постоянной температуре и постоянных напряжениях.

2. Нагрузка реализуется в результате циклирования температуры (теплосмен) без приложения внешней нагрузки.

3. Комбинированные условия нагружения: изменяющаяся нагрузка при постоянной температуре, изменяющаяся температура при постоянной нагрузке, а также изменяющиеся и температура, и нагрузка.

Ниже рассматриваются условия работы и основные факторы, определяющие работоспособность материала при названных условиях эксплуатации.

1.1.1. Жаропрочность в условиях ползучести.

«Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести»[11]. Ее впервые в 1826 году обнаружил К. Навье [4], а математически описал в 1834 г. Л. Вик [5].

Ползучесть металлов начали широко исследовать в 40-50х года 20 века, когда возникла проблема разрушения ответственных деталей в энергетике, двигателестроении и др. отраслях, работающих при высоких температурах.

Сейчас проблема ползучести изучена для разных условий эксплуатации [6 -10 и др.].

X

Рисунок 1.1 - Кривая ползучести. [11].

Зависимость деформации от времени при ползучести описывается кривой ползучести (рисунок 1.1), состоящей обычно из трех стадий стадий (три участка кривой). Участок (аЬ) - соответствует неустановившейся ползучести, для которой

характерно снижение скорость деформации во времени; второй участок -установившаяся ползучесть, при которой скорость деформации постоянна; третий участок - стадия разрушения, скорость деформации возрастает и процесс заканчивается разрушением (точка d) [11].

Характеристиками жаропрочности материалов являются длительная прочность и предел ползучести.

Длительная прочность - напряжение, вызывающее разрушение при определенной температуре за определенное время [11] (точка <^» на кривой ползучести - рисунок 1.1). Например, с6504000= 5 00 МПа означает, что при напряжении 500 МПа и температуре 650^ разрушение произойдет не ранее, чем через 4000 часов.

Предел ползучести - напряжение, вызывающее заданную величину деформации при данной температуре за определенное время [11] (участок «Ьо> на кривой ползучести - рисунок 1.1). Например, о5500,2/350= 400 МПа, означает, что при напряжении 400 МПа за 350 часов при 550^ остаточная деформация не должна превышать 0,2%.

Механизм и, соответственно, кривая ползучести различаются при разных сочетаниях «температура- напряжение».

Ползучесть металлов и сплавов возможна при всех температурах, от абсолютного нуля вплоть до температуры плавления [6].

Различают обратимую (неупругую), низкотемпературную

(логарифмическую), высокотемпературную и диффузионную ползучесть: [9-11].

Обратимая ползучесть (рисунок 1.2) развивается при напряжениях меньших ткр, после разгружения деформации нет. Эффект ползучести проявляется только в том, что деформация после разгружения исчезает не мгновенно, а постепенно, с течением времени (рисунок 1.3) [11].

Прочие виды ползучести необратимы. Это проявляется в том, что после снятия нагрузки сохраняется пластическая деформация, проявляющаяся в изменении формы и/или геометрических размеров детали.

Рисунок 1.2 - Диаграмма основных видов ползучести [11]. т-касательное напряжение, О- модуль сдвига

Рисунок 1.3 - Кривая обратимой ползучести[11]. Ве - упругая деформация, возникающая при приложении нагрузки; в о - деформация ползучести

Низкотемпературная ползучесть (зона II на рисунке 1.2) реализуется движением дислокаций ниже температуры возврата и тем более температуры рекристаллизации [6; 7; 8]. В таких условиях возникает упрочнение металла за счет пластической деформации, препятствующее дальнейшему деформированию. Поэтому скорость деформации на этапе неустановившейся ползучести

замедляется во времени, а впоследствии останавливается (кривая «АВ» на рисунке 1.4).

О г

Рисунок 1.4 - Кривые низкотемпературной, высокотемпературной и диффузионной ползучести

[10].

Для многих металлов и сплавов зависимость деформации (s) от времени (т) при низкотемпературной ползучести хорошо аппроксимируется логарифмической зависимостью - логарифмическая ползучесть. При постоянных условиях (температура, напряжения) зависимость деформации от времени описывается следующим уравнением:

s=a 1пт+ b, где a и b - константы материала.

Этот вид ползучести не представляет опасности, величина деформации деталей мала, она быстро стабилизируется во времени, поэтому при длительных нагружениях итоговая деформация оказывается незначительной [10].

Высокотемпературная ползучесть (зона III на рисунке 1.2) сопровождается снижением механических свойств из-за изменения структуры металла [11]. Металл претерпевает не только возврат, но и рекристаллизацию. Это вызывает относительное перемещение зерен металла, что приводит к изменению размеров и/или формы деталей.

Скорость неустановившейся высокотемпературной ползучести ('Uп=ds/dт) зависит от константы материала (А) и коэффициента (п) [10]:

Uп=ds/dт=Aт-n,

Для неустановившейся ползучести п «2/3.

Ползучесть на установившейся стадии развивается тем интенсивнее, чем выше температура (экспоненциальная зависимость - уравнение 1) и приложенные напряжения (степенная зависимость - уравнение 2) [10]:

ип. уст = Ко ехр (- О/кТ) (1),

«где К0 - постоянная, определяемая уровнем напряжений; О - энергия активации ползучести, также зависящая от уровня напряжения» [10].

ип. уст = Аоп (2),

где п - коэффициент от 1 до -4, в зависимости от температуры и напряжения, чаще всего близок к 3 [10], А - константа материала, о -действующее напряжение.

О) 'С

Рисунок 1.5 - Зависимость ползучести от температуры (а) и напряжения (б):

Ъ< 12< 1з< 14< 15< 1б; 01< 02< 03< 04< 05 [11]

Приведенные зависимости, принципиально описывают процессы ползучести, они являются эмпирическими, поэтому константы уравнений определяются для каждого конкретного сплава [10].

Окончание установившейся стадии высокотемпературной ползучести сопровождается постоянным увеличением скорости деформирования (участок СВ

на кривой А "У рисунок 1.4) и, в конечном итоге, разрушением (точка У на кривой АТУ). Скорость деформации двух первых стадий высокотемпературной ползучести выше, чем низкотемпературной (рисунок 1.4), эти виды ползучести могут реализовываться при напряжениях, существенно меньших предела текучести (от) материала.

Диффузионная ползучесть (зона IV на рисунке 1.2) развивается при весьма высоких температурах (0,8...0,9 Тт) в результате направленной диффузии атомов. Установившаяся ползучесть при этом сокращается или вообще не наблюдается. Разрушение может происходить минуя данную стадию (кривая А "С на рисунке 1.4). Зависимость скорости ползучести от напряжений - линейная [10].

Для материала решающим фактором, определяющим сопротивление высокотемпературной ползучести, являются силы межатомной связи [12].

Угол наклона участка «Ьо> (рисунок 1.1), и таким образом, скорость ползучести, зависит от прочности межатомных связей, и он тем меньше, чем прочнее эти связи.

Прочность межатомных связей металла (сплава) характеризуется, прежде всего, температурой плавления: прочность тем больше, чем выше температура плавления [1].

Чем выше температура плавления металла, тем ниже его гомологическая температура (Т/Тпл), т.е. тем ближе эта температура к началу координат и переход от низкотемпературной (зона II) к высокотемпературной (зона III) ползучести происходит при больших напряжениях (рисунок 1.2), следовательно, жаропрочность возрастает. (Гомологическая температура является обобщенной характеристикой металла и позволяет дать более объективную оценку его свойств - сопоставление свойств выполняется не при равных температурах, взятых по какой-либо шкале - Цельсия, Фаренгейта, а при одинаковом относительном положении материала на шкале температур между абсолютным нулем и температурой плавления, т.е. по близости к температуре плавления [13]).

Однако, жаропрочность материала не удается однозначно оценить только температурой плавления, это более сложная характеристика. Наряду с

температурой плавления, жаропрочность зависит от скорости диффузии, которая, в свою очередь, является функцией коэффициента самодиффузии (Do) и энергии активации (Q) основного металла [12; 14; 15]:

D=D0e-Q/RT, где D0 _ предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил межатомной связи и определяющий энергию самодиффузии вещества; Q -энергия активации процесса диффузии; R - газовая постоянная; Т - температура, К.

Величина предэкспоненциального множителя (Do), является одним из базовых (справочных) параметров материала [2; 16]. При этом, чем меньше величина D0, и больше Q, тем меньше диффузионная подвижность атомов и, следовательно, жаропрочность металла (сплава) выше.

Жаропрочность металла (сплава) зависит, таким образом, от температуры плавления и коэффициента самодиффузии основного элемента сплава [2; 11; 17; 18]. Для разных металлов основным, определяющим жаропрочность, может быть либо Тпл, либо Do.

Так жаропрочность титана ниже, чем у железа, несмотря на более высокую температуру его плавления (1668 и 1539°C, соответственно[13]), но коэффициент самодиффузии титана на порядок больше, чем у железа (6,4х10-12 и 1х10-13 м2/с, соответственно; приведены: значение коэффициента Do для Tia при 750°С, т.е. при более низкой температуре, чем для Fea - при 1000°С [13]).

Значения предэкспоненциальных множителей в уравнении диффузии (Do) зависят от плотности кристаллической решетки, они принципиально меньше для металлов с кристаллическими решетками с большими координационными числами [19; 14; 17; 15]. Приведем значения Do для различных модификаций титана и железа. Значения составляют Do:^2/c] для Ti а (Г12) - 6,4х10-12, и 3,68х10"8 для Tip (К8); 10"20 для FeT (К12) и 10-17 для Fea (К8) [16; 20], т.е. разница на порядки. Это положение подтверждается более высокой жаропрочностью аустенитных (решетка ГЦК), чем ферритных и мартенситных (решетка ОЦК) сталей [2; 3].

Помимо базовых факторов, определяющих длительное сопротивление разрушению и деформации при высоких температурах, т.е. температуры плавления и плотности кристаллической решетки, жаропрочность зависит от структуры сплава. Важную роль играют величина зерна, а также количество фаз, т.е. гомогенна или гетерогенна структура. В зависимости от условий эксплуатации наличие в структуре второй фазы может играть как положительную, так и отрицательную роль.

В процессе долговременной эксплуатации необходимо обеспечение длительной прочности. Если металл работает в условиях высокотемпературной ползучести, наблюдается зернограничное проскальзывание и разрушение происходит преимущественно по границам зерен [6] (в наших экспериментах мы наблюдали появление трещин по границам и при кратковременных испытаниях).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кубаткин Владимир Сергеевич, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Масленков, С.Б. Жаропрочные стали и сплавы: Справочник / Масленков С.Б. - М. : Металлургия, 1988. -191 с.

2. Материаловедение в машиностроении. Выбор и применение: Справочник: В 5 т. / Под общей ред. И.В. Кудрявцева.-Т.З Специальные стали и сплавы/ Под. ред. Ф.Ф. Химушина. - М. : Машиностроение, 1967. -446 с

3. Химушин, Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. 2-е изд. / Химушин Ф.Ф. -М. : Металлургия, 1969.. -752 с.

4. Navier, C. L. M. Experiens sur la resistance de divers substances a la rupture cause par une tención longuitudinale // Navier C. L. M. // Annales de chimie et de physique. 1826-V-33. p. 228 - 229.

5. Vicat, l. J. Note sur Rallongement progresiff du fil de soumis a divers tensions// Vicat l. J. // Annales des ponts et chausses. 1834. p. 40-44/

6. Строение и свойства авиационных материалов / Под ред. акад. А.Ф. Белова. - М. : Металлургия, 1989. -367 с.

7. Екобори, Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел / Т. Екобори. - М. : Металлургия, 1971. -264 с.

8. Физическое металловедение. Т.З. Дефекты кристаллического строения механические свойства металлов и сплавов / Под ред. А. Кана. - М. : Мир, 1968. -484 с.

9. Мак Лиин, Д. Механические свойства металлов / Д. Мак Лиин. - М. : Металлургия, 1965. -432 с.

10. Золотаревский, В.С. Механические испытания и свойства металлов. Изд. 3 / В.С. Золотаревский. - М. : МИСИС, 1998. -400 с.

11. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение. Изд. 3. / Под ред. Б.Н. Арзамасова, В.И. Мухина. - М. : Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. -646 с.

12. Бернштейн, М.Л. Структура и механические свойства металлов / М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. - М. : Металлургия, 1969. -472 с.

13 Ван Флек. Теоретическое и прикладное материаловедение. М. : Атомиздат. 471 с.

14. Шульце, Г. Металлофизика / Г. Шульце. - М. : Изд. Мир, 1971. -503 с.

15. Бернштейн, С.З. Свойства и строение металлических сплавов / С.З. Бернштейн. - М. : Металлургия, 1971. - 496 с.

16. Свойства элементов. Справочник / Под общ. ред. М.Е. Дрица. - М. : Металлургия, 1983. -671 с.

17. Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. - М. : Металлургия, 1977. -

647 с.

18. Симс, Ч.Т. Жаропрочные сплавы / Ч.Т. Симс, В. Хаген. - М. : Металлургия, 1976. -567 с

19. Фридман, Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч. Ч. 1 / Я.Б. Фридман. - М. : Машиностроение, 1974. -472 с.

20. Фридман, Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч. Ч. 1 / Я.Б. Фридман. - М. : Машиностроение, 1974. -367 с.

21. Johnson, A. E. Comparison of Some Carbon-Molybdenum Steels on the Basis of Various creep Limits / A. A. Johnson, H. J. Tapsell / AIME. -1948. V.6(159). -P.165-172.

22. ГОСТ 3248-81 Метод испытаний на ползучесть. Metals. Creep test method / - М. : Издательство стандартов, 1988 - 11с.

23. Одинг, И. А. Теория ползучести и длительной прочности металлов. / В.В. Бурдукский, В. Н. Геминов, В.С. Иванова, И.А. Одинг. - М. : Металлургиздат, 1959. -486 с.

24. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. - М. : Машиностроение, 1989. -640 с.

25. Либерман, Л.Я. Справочник по свойствам сталей, применяемых в котлостроении / Л.Я. Либерман, М.И. Пейсихис - М. : Машгиз, 1958. -408 с.

26. Конструкционные материалы. Справочник / Под. ред. Б.Н. Арзамасова. -М. : Машиностроение, 1990. -687 с.

27. Масленков, С. Б. Легирование и термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов / В справочнике «Металловедение и термическая обработка». /Под ред. М.Л. Бернштейна и А.Г. Рахштадта. Т.2. с. 329 - 340. М. : «Металлургия», 1983. -368с.

28. ГОСТ 4784-97 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. Aluminium and wrought aluminium alloys. Grades. - М. : ИПК Издательство стандартов, 1999 -32с.

29. ГОСТ 19807-91 Титан и сплавы титановые деформируемые . Марки. Wrought titanium alloys. Grades. - М. : Издательство стандартов, 1992 - 3с.

30. Солонина, О. П., Титановые сплавы. Жаропрочные титановые сплавы / О. П. Солонина, С. Г. Глазунов. - М. : «Металлургия», 1976. -448с.

31 Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ». 1932-2002. Юбилейный научно-технический сборник / Под общей редакцией Е.Н. Каблова. -М. : Изд. ВИАМ, МИСИС, 2002. -426 с.

32. Справочник по редким металлам / Пер. с англ. под ред. В.Е. Плющева. -М. : Мир, 1965. -922с.

33. Аристова, Е.Ю. Самодиффузия никеля по внутренним поверхностям раздела в жаропрочном сплаве на основе сложнолегированного интерметаллида Ni3Al / Е.Ю. Аристова, Е.Н. Белова, Ю.А. Бондаренко, В.П. Бунтушкин, С.С. Гинзбург, Е.Н. Каблов, В.Г. Нефедов, И.М. Разумовский // Металлы. -1996. -№ 3. -С. 113-120.

34. Wain, H. L. Research on Chromium in Australia / Ductile Chromium and its Alloys // -Cleveland. : ASM, 1957, -P. 27.

35. Runk, R. J. Properties of High-Purity Iodide Chromium and its alloys / J. Runk, T. E. Fearnside, J. M. Blocher, I. E. Campbel //-Cleveland. : ASM, 1957, p. 129.

36. Адаскин, А.М. Характер разрушения жаропрочного сплава Х65НВФТ на основе хрома./ А.М. Адаскин, В.Н. Бутрим, В.В. Каширцев, И.Ю. Сапронов // МиТОМ. -2013. -№ 8. -С. 12-17.

37. Бутрим, В.Н. Технологические аспекты повышения свойств и качества полуфабрикатов из сплавов на основе хрома для изделий космической техники / В.Н. Бутрим // Технология легких сплавов. -2015. -№2. -С. 95-104

38. Бокштейн, Б.С. Диффузия в металлах / Б.С. Бокштейн. - М. : Металлургия, 1978. -248 с.

39. Адаскин, А.М. Особенности жаропрочного сплава на основе хрома и область его применения / А.М. Адаскин, В.Н. Бутрим // Технология легких сплавов. -2021. -№ 4. -С. 60-71.

40. История авиационного материаловедения. ВИАМ - 75 лет поиска, творчества, открытий / Под общей редакцией акад. Е.Н. Каблова. - М. : Наука, 2007. -315 с.

41. Подураев, В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов / В.Н. Подураев. - М. : Высшая школа, 1974. -590 с.

42. Советский энциклопедический словарь. Изд. четвертое, исправленное и дополненное / Главный редактор А.М. Прохоров. - М. : «Советская энциклопедия», 1990. -1631 с.

43. Химическая энциклопедия : в 5 т. : Т.5 / гл. ред. Н. С. Зефиров. - М. : Большая Российская энциклопедия, 1999. -308 с.

44. Химическая энциклопедия : в 5 т. : Т.3 / гл. ред. И.Л. Кнунянц. - М. : Большая Российская энциклопедия, 1999. -639 с.

45. Глаголева, Ю.В. Теплофизические и кинетические свойства сплавов кобальт-хром и никель-хром при высоких температурах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Ю.В. Глаголева. - Екатеринбург, 2007. -129 с.

46. Кубашевский, О. Окисление металлов и сплавов. 2-е изд. / О. Кубашевский, Б. Гопкинс / Пер. с англ. В.А. Алексеева. - М. : Металлургия, 1965. - 428с.

47. Белов, А.Ф. Строение и свойства авиационных материалов /А.Ф. Белов, Г.П. Бенедиктова, А.С. Висков. - М. : Металлургия, 1989. -367 с

48. Тумарев, А.С. Механизм окисления сплавов никеля с хромом / А.С. Тумарев, Л.В. Панюшин, А.В. Гуц // Изв. вузов. Черная металлургия. -1963. -№3. -С. 26-33.

49. Brady, M.P. Correlation of alloy microstructure with oxidation behavior in chromia-forming intermetallic-reinforced Cr alloys / M.P. Brady, P.F. Tortorelli, L.R. Walker // Materials at High Temperatures. -2000. -V.17. -№2. -P. 235-241.

50. Amano, T. High temperature oxidation of Ni-Cr alloys / in: Y. Saito, B. Onay, T. Maruyama (Eds.). High Temperature Corrosion of Advanced Materials and Protective Coatings, Elsevier Science, Amsterdam, The Netherlands, 1992. P.111-114. T. Amano, O. Momose.

51. Sims C.T. Superalloys II. Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. В двух книгах. кн. 2. / C. T. Sims, N. S. Stoloff, W.C. Hagel / Перевод с англ. под ред. Р.Е. Шалина. - М. : Металлургия, 1995. -369 с.

52. Brady, M.P. Oxidation resistance and mechanical properties of Laves phase reinforced Cr in-situ composites / M.P. Brady , J.H. Zhu, C.T. Liu, P.F. Tortorelli, L.R. Walker // Intermetallics. -2000. -V.8. -P. 1111-1118.

53. Brady, M.P. Effects of Fe on the oxidation/internal nitridation behavior and tensile properties of Cr and oxide dispersion ductilized Cr / M.P. Brady, P. Sachenko. // Scripta Materialia. -2005. -V.52. -P.809-814.

54. Фролов, Ф.Ю. Изменение структуры высоколегированного сплава после длительного старения / Ф.Ю. Фролов, Н.В. Карякина / В сб. научных статей «Структура и свойства жаропрочных сплавов» под ред. Г.И. Дубинина. М. : МАИ, 1971. с. 43-51.

55. Биркс, Н. Введение в высоко-температурное окисление металлов / Н. Биркс, Дж. Майер / Пер. с англ. А.А. Штейнберга; под ред. Е.А. Ульянина. - М. : Металлургия, 1987. -183с.

56. Карсанов, Г.В. Исследование структурного состояния и механических свойств двухфазного хромоникелевого сплава / Г.В. Карсанов, Г.Г. Курдюмова,

Ю.В. Мильман, Ю.Н. Пономарев, Г.Ф. Саржан, В.И. Трефилов, С.А. Фирстов, Т.П. Хазанова, В.Г. Юшко // Физика и химия материалов. -1971. -№3. С. 67-74.

57. Карсанов, Г.В. Изменение структуры и механических свойств двухфазного сплава ВХ4 в процессе пластической деформации / Г.В. Карсанов, Г.Г. Курдюмова, Ю.В. Мильман, Г.Ф. Саржан, В.И. Трефилов, С.А. Фирстов, Т.И. Хазанова // Физика и химия обработки материалов. -1975. -№6. -С. 588-593.

58. Перепелкин, А.В. Исследование особенностей механизма деформации и разрушения двухфазного хромо -никелевого сплава ВХ4 / А.В. Перепелкин, Г.Ф. Саржан, С.А. Фирстов, Г.Г. Курдюмова // Физика металлов и металловедение. -1979. -т.48. -вып. 3. -С. 588-593.

59. Адаскин, А.М. Фазовые превращения, структура и свойства сплава Х65НВФТ на основе хрома. Металлофизика и новейшие технологии. / А.М. Адаскин, В. Н. Бутрим, И. Ю. Сапронов // Metaliofiz. Novelshle Tekhnol. -Украина. -2013, -т. 35, - № 11. С. 1475-1486

60. Adaskin, A.M. Behavior of Refractory Chromium-Base Alloy Kh65NVFT / A.M. Adaskin, V.N. Butrim, V.V. Kashirtsev, I.Yu. Sapronov // Metal Science and Heat Treatment. -2013. -V. 55. - Is. Р.р. 7-8. -P. 409-414

61. Каширцев, В.В. Повышение производительности обработки при точении изделий из жаропрочного сплава на основе хрома путем применения инструмента из твердого сплава высокой теплостойкости. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / В.В. Каширцев. - М. 2014. 165 с.

62. Салтыков, С.А. Стереометрическая металлография / С.А. Салтыков. - М. : Металлургия, 1976. - 271с.

63. Hollomon, J.H. Time-temperature relations in tempering steel / J.H. Hollomon, L.D. Jaffe // Trans. Amer. Inst. Min. Met. Engrs. -1945. -№162. -P.223-249.

64. Патент 2557438 Российская Федерация, МПК C22C27/06, C22C1/06 Жаропрочный сплав на основе хрома и способ выплавки сплава на основе хрома/ А.Г. Береснев, В.Н. Бутрим, В.Н. Каширцев, А.М. Адаскин; заявитель и

патентообладатель Открытое Акционерное Общество "Композит". - № 2014127274/02; заявл. 04.07.2014; опубл. 20.07.2015, Бюл. №20.-9 с.

65.Диаграммы состояния двойных металлических систем : Справочник: В 3 т. : Т.2 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М. : Машиностроение, 1997. -1023 с.

66. Каблов, Е.Н. Компьютерный метод конструирования литейных жаропрочных никелевых сплавов / Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина / Е.Н. Каблов, Н.В Петрушин. -М.: Наука, 2006. - С.56-78

67. Диаграммы состояния металлических систем 1997 -1998. Выпуск XLI, приложение к сводному тому и выпуску реферативного журнала «Металловедение и термическая обработка» - М., 1999, с.71-72.

68. Свойства элементов. Справочник / Под ред. М.Е. Дрица. - М. : Металлургия, 1967. -672 с.

69. Адаскин, А.М. Инструментальные материалы в машиностроении / А.М. Адаскин. - М. : Форум, 2015. -319 с.

70. Хоникомб, Р. Пластическая деформация металлов / Р. Хоникомб / Пер. с англ. под ред. Б.Я. Любова. - М. : Мир, 1972. - 408 с.

71. Кришталл, М.М. Неустойчивость и мезоскопическая неоднородность деформации (аналитический обзор). Часть I. Феноменология зуба текучести и прерывистой текучести / М.М. Кришталл // Физическая мезомеханика. -2004. Т.7. -№5. -С. 5-29.

72. Кришталл, М.М.. Неустойчивость и мезоскопическая неоднородность деформации (аналитический обзор). Часть ^.Теоретические представления о механизмах неустойчивости пластической деформации / М.М. Кришталл // Физическая мезомеханика. -2004. Т.7. -№5. -С. 31-45.

73. Перепелкин, А.В. Исследование особенностей механизма деформации и разрушения двухфазного хромо -никелевого сплава ВХ4 / А.В, Перепелкин, Г.Ф. Саржан, С.А. Фирстов, Г.Г. Курдюмова // Физика металлов и металловедение. -1979. -Т.48. -Вып.3. С. 588-593.

74. Janjusevic, Z. The Investigation of applicability of the Hollomon - Jaffe equation on tempering the HSLA steel / Z. Janjusevic, Z. Gulisia, M. Mihalovic, A.

Pataric // Chemical Industry and chemical Engineering Quarterly. -2009. -№15(3). -P.131-136.

75. Clauss, F.J. An examination of high-temperature stress-rupture correlating parameters / F.J. Clauss, // Proceedings of American Society for Testing and Materials. -1960. -V.60. -P.905-927.

76. Лариков, Л.Н. Ячеистый распад пересыщенных твёрдых растворов / Л.Н. Лариков, О.А. Шматко. -Киев: Наукова думка. 1976. -223с.

77. Williams, R.O. Classification of Precipitation Systems / R.O. Williams // Trans. ASM. -1958. -V50. -P.562.

78. Шлякман, Б.М. Один способ определения константы С в параметре Холломона / Б.М. Шлякман, О.Н. Ямпольский, Д.В. Ратушев // МиТОМ. -2010. -№ 9. С. 48 -51.

79. Хауффе, К. Реакции в твёрдых телах и на их поверхности / Моногр. в 2 -х частях. Ч.2 / К. Хауффе / Пер. с нем. А.Б. Шехтер. - М. : Изд-во иностр. литературы, 1963. - 275с.

80. Дубинин, Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов / Г.Н. Дубинин. -М. : Машиностроение, 1964. - 451 с.

81. Khanna, A.S. Introduction to High Temperature Oxidation and Corrosion / A.S. Khanna. : ASM International, 2002. 324p.

82. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков. - М. : Металлургия, 1986. - 480 с.

Патент № 2515145. Способ термической обработки жаропрочного и жаростойкого

сплава Х65НВФТ

Патент №2708194. Способ изготовления изделия из сплава Х65НВФТ

Акт испытания термической оснастки

Акционерное общество «Российская самолетостроительная корпорация «МиГ»

УТВЕРЖДАЮ

Главный механик

г. Москва

Акт испытания термической оснастки.

Настоящий акт составлен я том. что. а период с января по октябрь 2016 гола в инструментальном цехе НПК им.П.А.Воронина про водились сравнительные испытании термической оснастки I деталь «плита» № wepi B3T0.35.002)- закалка инструмента из быстрорежущих сталей. Рабочая среда соляная ванна BaClj.

Деталь илота вливали из жаропрочной стали 35X18H24C2JI (базовый вариант) и жаропрочного и жаростойкого сплава марки Х65НВФТ (ТУ 1850-540-56897835 -2012). Но предложенной tcxho ioi ии деталь из X6511ВФI была полвсргн>та отжигу при температуре 1300°С (данный режим термической обработки был выбран, исходя и з предполагаемого срока службы > 100 часов).

Стойкость оснастки из базоного материхта составила 970 садок (около 500 часов работы при температуре выше 1100°С| Причина отказа потеря геометрических размеров вследствие окисления и изменение формы плиты.

Оснастка in сплава Х65НВФТ выдержала 1515 садок (около 800 часов) и сохранила работоспособность.

Таким образом, гарантированное повышение стойкости составило не менее 55%. Рекомендуется продолжит ь испытание для других деталей высокотемпературной [ерм и ческой оснастки, а также элементов конструкции печей, причиной отказа которых является окисление поверхности.

Акт использования сплава Х65НВФТ

хзе/хоф техники

слесарный инструмент

ООО «Депо Тешим«*., ИНН 773424622«. КПП М0301001

142712 Мосгавслвобласть го Пемиисчи* рп Гор™ Я«имнс*ие

проносив Текноглрч ул Западна» и 32

Тел *7 [phone] тГофйнмт йо!д1 ги

УТВЕРЖДАЮ Ген.директор

^ ООО «Дело Техники» ^ Панкратов А.В.

</О» ¿лЫ^ А 2023 года

АКТ

Использования сплава Х65НВФТ.

Настоящий акт составлен по результатам эксплуатации детали «верхняя плита« № ДТ 17.350 приемного лотка полуавтоматической линии производства слесарно-монтажного оборудования (ключи гаечные).

Материала плиты - сплав Х65НВФТ;

Термическая обработка плиты рекомендована МГТУ СТАНКИ! (:

закалка с 1250°С. в масло; отпуск 800°С 2 час. охлаждение на воздухе.

Назначение плиты: прием заготовки ключа (пруток, сталь 30X13 или 40X13) после нагрева с 1200°С в нидукторе под последующую горячую штамповку.

Время эксплуатации январь — октябрь 2023 года. Деталь работоспособна: окисления поверхности не наблюдается, коробление пли повреждения (вмятины) отсутствуют. Срок службы сплава ХН77ТЮР. используемого ранее, 3-4 месяца. Необходимость замены летали появление окалины, налипающей на заготовку, необходимость частой очистки, снижающая произволитсльность, а также трещины

Рассматривается возможность использования сплава Х65НВФТ для изготовления ряда деталей линии, нагреваемых до высоких температур