Температура плавления как критерий прочности при высоких температурах

13.09.2019

В течение последних 25 лет возросла потребность в материалах, обладающих повышенной прочностью при высоких температурах. Пока требования определялись условиями эксплуатации паровых машин, паровых турбин и химических аппаратов и рабочие температуры при этом не превышали 500°, можно было ограничиться сплавами на железной основе. В этот период были разработаны различные жаропрочные сплавы на основе железа с добавками никеля, кобальта, хрома, кремния и других легирующих элементов.

В течение последних десяти лет положение принципиально изменилось. Сейчас в первую очередь требуются материалы для деталей газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. п., работающих при температурах 800—1000° и выше, что исключает применение сплавов на основе железа.

Рекристаллизация металлов и сплавов выражает, в частности, увеличившуюся подвижность атомов и тем самым пониженное сопротивление деформации. Поэтому для каждого данного металла и сплава можно ожидать высокой прочности только до температур ниже рекристаллизации. Легированием или различными методами обработки не удается повысить температуру рекристаллизации железных сплавов значительно выше 800°. Более высокую температуру рекристаллизации имеют сплавы на основе никеля, кобальта и хрома. Однако и они не подходят для рабочих температур выше 950—1000°.

Температура заметной рекристаллизации металлических материалов тесно связана с температурой их плавления. Поэтому температура плавления в известной мере характеризует прочность при высоких температурах. Все изученные до настоящего времени тугоплавкие металлы, металлические и неметаллические материалы с высокой температурой плавления отличаются большой прочностью при высоких температурах.

Для изготовления таких материалов важную роль играют способы порошковой металлургии.

В табл. 158 приведены температуры плавления и плотности тугоплавких металлов, неметаллов, карбидов, нитридов, боридов, силицидов и окислов, оценка их пластичности и сопротивления окислению.



Возможность применения тугоплавких металлов — таких, как вольфрам, молибден, ниобий, тантал, — в качестве высокотемпературных материалов ограничена из-за их неудовлетворительной стойкости против окисления при высоких температурах.

В случаях, когда материал подвергается кратковременному действию высоких температур, например в ракетах, можно применять молибден или графит. В обычных условиях при высоких рабочих температурах тугоплавкие металлы можно применять при условии защиты их покрытиями, препятствующими окислению. Такие защитные покрытия разработаны. Благородные тугоплавкие металлы не требуют такой защиты, но большой удельный вес и высокая цена ограничивают их применение.

Ранее указывалось, что высокие свойства твердосплавного режущего инструмента объясняются его высокой твердостью и значительным сопротивлением деформированию при высоких температурах, неизбежно возникающих при больших скоростях резания. Известная стойкость против окисления также является необходимой предпосылкой для удовлетворительного поведения сплавов для резания. Современные распространенные марки твердых сплавов показывают достаточную стойкость против окисления при умеренных температурах. Однако они сильно окисляются при рабочих температурах турбинных и сопловых двигателей. Из карбидов, применяющихся в металлокерамических твердых сплавах, удовлетворительной стойкостью против окисления при температурах выше 500° отличается только карбид титана.

Для рабочих температур около 800° и даже до 1100° многообещающими являются твердые сплавы на основе TiC. Они представляют интерес, ввиду низкого удельного веса этого карбида (d = 4,9 г/см3).

Однако поведение при высоких температурах спеченных материалов с карбидной основой зависит, очевидно, не только от свойств карбидной фазы, но также и от свойств металлической связки. Даже при достаточной стойкости карбидов против окисления мало жароупорная связка оказывает очень вредное влияние. Поэтому наиболее благоприятное поведение при высоких температурах отмечается у сплавов карбида титана, сцементированных жароупорными неокисляющимися связками на основе сплавов Ni-Cr, Co-Cr и Ni-Co-Cr.

Возможность применения карбида титана, так же как и других простых и сложных карбидов при более высоких температурах, ограничивается возрастающим окислением. Использование твердых сплавов на основе карбидов, окисляющихся при температурах выше 1100°, возможно только при нанесении на эти материалы защитных покрытий.

Конечно, карбиды отнюдь не являются единственными подходящими для данных условий соединениями. Шварцкопф уделил большое внимание исследованиям, имевшим целью разработку твердых сплавов с другими тугоплавкими металлическими соединениями, обладающими механическими и термическими свойствами, аналогичными свойствам карбидов, но превосходящими карбиды по антикоррозионным свойствам и устойчивости против окисления. Эти исследования привели к разработке спеченных материалов на основе боридов, которые по твердости при высоких температурах и окалинообразованию превосходят все другие жаропрочные материалы.

В качестве защитных покрытий тугоплавких металлов, а в отдельных случаях и в спеченном компактном виде в последнее время особое значение приобретают силициды. Особо высокой стойкостью против окисления (до 1700°) обладает силицид молибдена.

Как и в случае режущих материалов, здесь также целесообразно не ограничиваться рассмотрением высокотемпературных материалов на основе соединений, обладающих металлическим характером; необходимо рассмотреть также неметаллические соединения, например окислы и силикаты. Это должно способствовать более полному освещению вопроса; в настоящее время проводятся систематические изыскания и испытания высокотемпературных материалов как на основе соединений с металлическими свойствами, так и на основе окислов, керамик и комбинированных материалов.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна