Содержание страницы
С момента зарождения эры реактивной авиации в середине XX века, перед инженерами и материаловедами встала амбициозная задача: создать материалы, способные выдерживать колоссальные механические нагрузки в условиях экстремально высоких температур. Ответом на этот вызов стали жаропрочные сплавы на никелевой основе, также известные как суперсплавы (superalloys). Именно они совершили революцию в авиастроении и энергетике, позволив значительно повысить рабочие температуры и, как следствие, КПД газотурбинных двигателей. Сегодня эти уникальные материалы являются основой для самых ответственных и высоконагруженных узлов, работающих там, где другие металлы плавятся и теряют свою прочность.
Ключевые сферы применения и стратегическая важность
Сплавы на основе никеля (Ni) зарекомендовали себя как незаменимые конструкционные материалы для эксплуатации в температурном диапазоне 700…1000 °С, а некоторые современные марки способны работать и при более высоких температурах. Их уникальное сочетание прочности, стойкости к окислению и ползучести делает их безальтернативным выбором для критически важных отраслей:
- Авиационное двигателестроение: До 70% массы современного газотурбинного двигателя приходится именно на жаропрочные сплавы. Из них изготавливают диски турбин, рабочие и сопловые лопатки, детали камеры сгорания, форсажные камеры и крепежные элементы.
- Энергетика и промышленность: Они используются в стационарных газовых турбинах для выработки электроэнергии, в оборудовании для нефтехимической и газовой промышленности, а также в судовых силовых установках.
- Ракетно-космическая техника: Компоненты ракетных двигателей и обшивка космических аппаратов, подверженные интенсивному нагреву, также изготавливаются из этих материалов.
Терминология и классификация: Жаропрочность против Жаростойкости
В инженерной практике крайне важно различать два фундаментальных свойства, которыми обладают никелевые сплавы. Эти понятия, хоть и связаны с работой при высоких температурах, описывают разное поведение материала:
- Жаропрочность — это способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием механических нагрузок при высоких температурах в течение заданного времени. Проще говоря, это «сила» металла в нагретом состоянии.
- Жаростойкость (или окалиностойкость) — это способность сплава противостоять химическому разрушению поверхности, в первую очередь газовой коррозии (окислению), при высоких температурах. Это «защита» металла от агрессивной среды, даже в ненагруженном состоянии.
В современной технической литературе существует несколько подходов к классификации никелевых суперсплавов, что помогает инженерам точнее подбирать материал под конкретную задачу:
- По назначению: дисковые, лопаточные, листовые, для крепежа, котельные.
- По способу производства: деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные (для фасонных отливок).
- По степени легирования: низко-, средне- и высоколегированные.
Работа на пределе возможностей — характерная черта для деталей из никелевых сплавов в авиадвигателях. Часто рабочие температуры достигают 0,8…0,85 от абсолютной температуры плавления (Tпл), что создает экстремальные условия эксплуатации.
Алхимия прочности: Принципы легирования и структура
Современные жаропрочные никелевые сплавы представляют собой сложнейшие многокомпонентные системы. В их состав может входить до семи-девяти и более легирующих элементов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию. Основой служит никель с его гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК), обеспечивающей хорошую пластичность и стабильность.
Ключевыми легирующими элементами являются: Mo, W, Cr, V, Nb, Co, Al, Fe, Cu, Ti.
- Алюминий (Al) и Титан (Ti) — важнейшие элементы, образующие главную упрочняющую интерметаллидную фазу γ` (гамма-штрих) типа Ni3(Al, Ti). Ее суммарное содержание может достигать 8…10%. Частицы этой фазы когерентно связаны с основной матрицей (γ-фазой), что создает эффективные препятствия для движения дислокаций и обеспечивает высочайшую прочность при повышенных температурах.
- Хром (Cr) и Алюминий (Al) — отвечают за жаростойкость. При высоких температурах они образуют на поверхности детали плотную, самовосстанавливающуюся оксидную пленку (Cr2O3, Al2O3), которая защищает сплав от дальнейшего окисления.
- Молибден (Mo), Вольфрам (W), Кобальт (Co) — элементы для твердорастворного упрочнения основной γ-матрицы. Они искажают кристаллическую решетку никеля, замедляя диффузионные процессы и повышая сопротивление ползучести.
Хотя общие принципы легирования схожи для всех типов сплавов, существуют и различия. При создании деформируемых сплавов первоочередной задачей является обеспечение достаточной технологической пластичности для обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки). В то же время для литейных сплавов критически важны высокие литейные свойства, такие как жидкотекучесть и минимальная усадочная пористость.
Трудности обработки: Специфика горячей деформации
Высокое легирование, обеспечивающее уникальные эксплуатационные свойства, одновременно создает серьезные технологические трудности при горячей пластической деформации. Этот процесс характеризуется рядом особенностей:
- Низкая технологическая пластичность: Сплавы склонны к образованию трещин даже при оптимальных температурах.
- Высокое сопротивление деформированию: Требуются мощные прессы и молоты, так как даже в однофазной области твердого раствора сплавы остаются очень прочными.
- Узкий температурный интервал деформирования: «Окно» оптимальных температур для ковки или штамповки может составлять всего 80…100 °С. Отклонение в любую сторону чревато браком.
- Высокая чувствительность к перегреву: Незначительное превышение верхней границы температурного интервала приводит к оплавлению границ зерен и катастрофическому падению пластичности.
Еще одной важной особенностью является высокая температура рекристаллизации. Нарушение режимов деформации (температуры или степени обжатия) приводит к неполному прохождению рекристаллизации и сохранению в металле «полугорячего наклепа». При последующей термообработке это явление провоцирует аномальный рост отдельных зерен, приводя к дефекту структуры — разнозернистости или грубозернистости. Такой же дефект может возникать при штамповке в области критических степеней деформации. Причиной разнозернистости может быть и остаточная химическая микронеоднородность литой заготовки (дендритная ликвация).
Нормативная база и стандартизация
Химический состав, свойства и методы испытаний жаропрочных сплавов строго регламентируются ГОСТ 5632-2014 «Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки». Именно этот стандарт, наряду с отраслевыми стандартами (ОСТ) и техническими условиями (ТУ) для конкретных марок, является основным нормативным документом для производителей и потребителей данной продукции.
Справочные данные по основным деформируемым сплавам
В таблицах 1–2 ниже приведены систематизированные данные по областям применения, химическому составу, режимам термообработки и механическим свойствам наиболее распространенных в промышленности деформируемых сплавов на никелевой основе.
Таблица 1. Основные деформируемые сплавы на основе никеля: применение и технологии
| Марка материала | Нормативный документ (ГОСТ, ТУ) | Тип полуфабриката | Технология обработки давлением | Основная область применения |
| ХН77ТЮР (ЭИ 437Б) | ГОСТ 23705–79 | Прутки | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1130…980 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Рабочие лопатки для газовых турбин и компрессоров с рабочей температурой до 750 °С. |
| ХН70ВМТЮ (ЭИ 617) | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1180…1050 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Рабочие лопатки газотурбинных установок, эксплуатируемые при температурах до 800 °С. | ||
| ХН62ВМКЮ (ЭИ 867) | ГОСТ 23705–79 | Прутки | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1180…1060 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Элементы газовых турбин, включая рабочие лопатки, для работы при температурах до 900 °С. |
| ХН65КЮВМР (ЭП 617) | ТУ 14-1-1492–75 | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1160…1040 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Высоконагруженные детали (лопатки и др.) турбин и компрессоров для длительной работы до 900 °С и кратковременной до 950 °С. | |
| ХН56ВМКЮ (ЭП 109) | ТУ 14-1-59–73, ГОСТ 23705–79 | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1180…1070 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Рабочие лопатки газовых турбин с предельной рабочей температурой до 950 °С. | |
| ХН61КМЮВБ (ЭП 874) | ТУ 14-1-2062–76 | Подвергается горячей пластической деформации. | ||
| ХН73МБТЮ (ЭИ 698) | ТУ 14-1-1973–77 | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1180…1030 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Диски турбин и компрессоров, дефлекторы, силовые кольца и крепеж с длительным ресурсом при t до 750 °С. | |
| ХН62БМКТЮ (ЭП 742) | ТУ 14-1-3998–85 | Поковки (шайбы) | Подвергается горячей пластической деформации. | Диски турбин и компрессоров, работающие в условиях высоких напряжений при t 550…800 °С. |
| ЭК79 (ЭП 742У) | ТУ 14-131-561–83 | Диски турбин и компрессоров с рабочей температурой до 800 °С. | ||
| ХН60КМВТЮБ (ЭП 741) | ТУ 14-131-369–77 | Тяжелонагруженные детали двигателей (диски, компрессоры) для эксплуатации при t до 850 °С. | ||
| ХН60ВМБ (ЭП 886, ВЖ 111) | ТУ 14-1-4433–88 | Прутки | Жаровые трубы, форсажные камеры и другие детали с длительным ресурсом работы при t до 1000 °С. | |
| ХН60ВТ (ЭИ 868, ВЖ 98) | ТУ 14-1-286–72 и 14-131-644–85 | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1180…1050 °С. | Жаровые трубы, форсажные камеры и аналогичные детали для длительной работы при t до 900…1000 °С. | |
| ХН65ВМБЮ (ВЖ 131, ЭП 914) | ТУ 14-1-3986–85 | Подвергается горячей пластической деформации. | Сварные узлы, эксплуатируемые при температурах до 800 °С. | |
| ХН62ВМТЮ (ЭП 708) | ТУ 14-1-1018–74 | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1180…1000 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Сварные силовые узлы, работающие при температурах до 850 °С. | |
| ХН68МВКТЮР (ЭП 693) | ТУ 14-1-3759–84 | Прутки | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1180…980 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Силовые сварные конструкции, рассчитанные на длительную работу при t 700…900 °С. |
| ХН68ВМБТЮК (ЭП 693М, ЭК 58) | ТУ 14-1-3741–84 | Силовые сварные узлы с повышенными требованиями к жаропрочности и пластичности, работающие при t до 950 °С. | ||
| ХН56ВМТЮ (ЭП 199, ВЖ 101) | ТУ 14-1-1508–75 | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1140…1000 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Сварные силовые узлы с рабочей температурой до 950 °С. | |
| ХН50МВКТЮР (ЭП 99) | ТУ 14-1-1476–75 | Обработка в горячем состоянии. Интервал температур штамповки: 1160…1050 °С. Охлаждение заготовки после деформации — воздушное. | Различные силовые сварные конструкции, лопатки, сопловые аппараты с рабочим диапазоном температур 700…1000 °С. |
Таблица 2. Химический состав сплавов на основе никеля (согласно ГОСТ 5632-2014 и ТУ)
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН77ТЮР (ЭИ 437Б) | ГОСТ 5632–72 | ≤ 0,07 | 19…22 | 0,6…1,0 | 2,4…2,8 | Основа | ≤ 0,6 | ≤ 0,4 | 0,02 | 1 |
| Cu | B | Pb | S | P | – | |||||
| 0,07 | ≤ 0,01 | ≤ 0,001 | ≤ 0,007 | ≤ 0,015 | ||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН70ВМТЮ (ЭИ 617) | ГОСТ 5632–72 | ≤ 0,12 | 13…16 | 1,7…2,3 | 1,8…2,3 | Основа | ≤ 0,6 | ≤ 0,5 | ≤ 0,02 | ≤ 5 |
| Cu | W | Mo | V | B | S | P | – | |||
| ≤ 0,07 | 5…7 | 2…4 | 0,1…0,5 | ≤ 0,02 | ≤ 0,01 | ≤ 0,015 | ||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Co | Ni | Si | Се | Fe | Cu | ||
| ХН62ВМТЮ (ЭИ 867) | ГОСТ 5632–72 | ≤ 0,1 | 8,5…
10,5 |
4,2…4,9 | 4…6 | Основа | ≤ 0,6 | ≤ 0,3 | ≤ 4,0 | ≤ 0,07 |
| W | Mo | B | P | – | ||||||
| 4,3…6,0 | 9,0…
11,5 |
≤ 0,02 | ≤ 0,011 | |||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Co | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН65КЮВМР (ЭП 617) | ТУ 14-1-1492–75 | ≤ 0,1 | 8,5…
10,5 |
4,2…4,9 | 4…6 | Основа | ≤ 0,6 | ≤ 0,3 | ≤ 0,02 | ≤ 1 |
| W | Mo | B | S | P | – | |||||
| 4,5…5,5 | 2,8…3,8 | ≤ 0,02 | ≤ 0,011 | ≤ 0,015 | ||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Co | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН56ВМКЮ (ЭП 109) | ГОСТ 5632–72 | ≤ 0,1 | 8,5…
10,5 |
6,4…6,2 | 11…13 | Основа | ≤ 0,6 | ≤ 0,3 | ≤ 0,02 | ≤ 1,5 |
| Cu | W | Mo | B | S | P | – | ||||
| ≤ 0,07 | 6,0…7,5 | 6,5…8,0 | ≤ 0,02 | ≤ 0,01 | ≤ 0,015 | |||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Co | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН61КМЮВБ (ЭП 874) | ТУ 14-1-2062–76 | 0,01…0,08 | 8,5…10,0 | 5,5…6,2 | 11…15 | Основа | ≤ 0,3 | 0,005…
0,002 |
≤ 1 | |
| Cu | W | Mo | Nb | B | Zr | S | P | – | ||
| ≤ 0,07 | 3,5…6,0 | 4,5…7,0 | 0,8…1,5 | 0,005…
0,050 |
0,001…
0,100 |
≤ 0,01 | ≤ 0,0015 | |||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН73МБТЮ (ЭИ 698) | ТУ 14-1-285–72 | 0,03…0,07 | 13…16 | 1,45…1,8 | 2,35…
2,75 |
Основа | ≤ 0,5 | ≤ 0,4 | ≤ 0,005× | ≤ 2 |
| Mo | Nb | B | Pb | S | P | – | ||||
| 2,8…3,2 | 1,9…2,2 | ≤ 0,005× | ≤ 0,001 | ≤ 0,007 | ≤ 0,0015 | |||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН62БМКТЮ (ЭП 742) | ТУ 14-1-1998–85 | 0,04…0,08 | 13…15 | 2,4…2,8 | Основ | ≤ 0,3 | ≤ 0,4 | ≤ 0,01× | ≤ 1 | |
| Cu | W | Mo | V | B | La | S | P | Co | ||
| ≤ 0,07 | ≤ 0,2 | 4,5…5,5 | ≤ 0,2 | ≤ 0,01× | ≤ 0,1 | ≤ 0,01 | ≤ 0,015 | 9…11 | ||
| Nb | – | |||||||||
| 2,4…2,8 | ||||||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Fe | Si | Mn | Ce | ||
| ЭК 79 (ЭП 742У) | ТУ 14-1-131-561–83 | 0,04…0,08 | 10…12 | 2,8…3,3 | 2,4…3,0 | Основа | ≤ 1 | ≤ 0,4 | ≤ 0,01× | |
| Nd | Co | W | Mo | V | B | Nb | La | S | ||
| ≤ 0,05× | 12,5…
16,0 |
2…3 | 4…5 | 0,4…
0,8 |
≤ 0,01× | 2,5…
3,0 |
≤ 0,05× | ≤ 0,01 | ||
| P | Mg | – | ||||||||
| ≤ 0,015 | ≤ 0,05× | |||||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН60КМВТЮБ (ЭП 741) | ОСТ 1-92111–85 | ≤ 0,06 | 8,0…
10,5 |
4,5…5,2 | 1,3…1,7 | Основа | ≤ 0,5 | ≤ 0,01 | ≤ 1 | |
| Co | W | Mo | Mg | B | Zr | S | P | Nb | ||
| 14,6…17,5 | 6,3…7,2 | 2,2…3,0 | ≤ 0,05 | ≤ 0,02× | ≤ 0,025 | ≤ 0,009 | ≤ 0,015 | 1,2…1,6 | ||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| Х60МВБ (ЭП 886,
ВЖ 111) |
ТУ 14-1-2760–79 | ≤ 0,1 | 23…26 | 0,2…0,7 | 0,2…0,8 | Основа | ≤ 0,5 | ≤ 0,5× | ≤ 0,02× | ≤ 5 |
| Nb | W | Mo | Mg | B | S | P | – | |||
| 0,4…1,0 | 5…7 | 3,0…4,5 | ≤ 0,06× | ≤ 0,005× | ≤ 0,5× | |||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Fe | Cu | ||
| ХН60ВМБ (ЭИ 868, ВЖ 98) | ТУ 4-1-1747–76 | ≤ 0,1 | 23,5…
26,5 |
≤ 0,5 | 0,3…0,7 | Основа | ≤ 0,8 | ≤ 0,5 | ≤ 4 | ≤ 0,07 |
| W | S | P | – | |||||||
| 13…16 | ≤ 0,013 | |||||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Si | Ni | Mn | Nb | Fe | Nd | ||
| ХН65ВМБЮ (ЭП 914, ВЖ 131) | ТУ 14-1-2689–79 | ≤ 0,06 | 17,0…
18,5 |
1,5…1,9 | ≤ 0,5 | Основа | ≤ 0,5 | 4,0…
4,7 |
≤ 1,5 | 0,1…0,2 |
| W | Mo | B | S | P | – | |||||
| 5,5…7,5 | 3…5 | ≤ 0,006× | ≤ 0,015 | |||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН62ВМТЮ (ЭП 708) | ТУ 14-1-3556–83 | 0,05…0,10 | 17,5…
20,0 |
1,9…2,3 | 1,0…1,4 | Основа | ≤ 0,6 | ≤ 0,5 | ≤ 0,03× | ≤ 4 |
| W | Mo | B | S | P | – | |||||
| 5,5…7,5 | 4…6 | ≤ 0,008* | ≤ 0,015 | |||||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН68МВКТЮР (ЭП 693) | ТУ 14-1-1960–77 | ≤ 0,1 | 17…20 | 1,6…2,3 | 0,1…1,6 | Основа | ≤ 0,5 | ≤ 0,4 | ≤ 0,005× | ≤ 5 |
| Co | W | Mo | Nb | B | S | P | – | |||
| 5…8 | 5…7 | 3,5…5,0 | ≤ 0,1 | ≤ 0,005× | ≤ 0,015 | |||||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | Ni | Si | Mn | Ce | Fe | ||
| ХН68ВМБТЮК (ЭП 693М, ЭК 58) | ТУ 14-1-3741–84 | ≤ 0,1 | 16…19 | 1,8…2,4 | 1,0…1,5 | Основа | ≤ 0,5 | ≤ 0,4 | ≤ 0,02× | ≤ 3 |
| Co | W | Mo | Nb | B | Zr | S | P | Mg | ||
| 1,5…3,5 | 2,8…4,8 | 3,5…5,0 | 0,7…1,3 | ≤ 0,02× | ≤ 0,1× | ≤ 0,015 | ≤ 0,05× | |||
| Марка материала | ГОСТ, ТУ | Массовая доля элементов, % | ||||||||
| C | Cr | Al | Ti | |||||||
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.