Жаропрочные материалы и жаростойкие покрытия

Жаропрочными называют материалы, способные продолжительно вы­держивать нагрузки при повышенных температурах. Как правило, жаропрочность материалов нужно учитывать, когда температура эксплуатации превышает 0,4…0,5 от температуры плавления. При нагреве ослабляются межатомные связи и поэтому уменьшаются твердость, предел текучести, модули упругости. Жаропрочные свойства значительно зависят от температуры и для интервала рабочих температур материала (примерно через 50…100°С) используются величины критических напряжений: предела ползучести и предела длительной прочности.

Пределом ползучести называют напряжение, под действием которого через определенный срок (1000, 10000, 100000 часов и т. д.) деформация ползу­чести достигнет величины: 0,1; 0,5; 1% и т. д. Обозначают предел ползучести = 45МПа, указывая при этом температуру испытания.

Пределом длительной прочности называют напряжение, действие кото­рого материал выдержит без разрушения в течение определенного срока (100, 1000 часов и т. д.). Обозначают предел длительной прочности = 250МПа с указанием температуры испытания. Предел длительной прочности характеризует сопротивление материала при сравнительно коротких выдержках под нагрузкой 100…1000ч, когда деформация ползучести еще невелика.

Жаропрочность обеспечивается легированием и термической обработкой.

Выбор жаропрочного материала диктуется соображениями жаропрочности, сопротивления окислению и стоимости.

Наиболее распространенными материалами являются жаропрочные стали, применяемые до 700°С, для интервала температур 700…1050°С используют жаропрочные никелевые сплавы. При температурах 1000…1500°С применяют тугоплавкие сплавы и жаропрочную керамику на основе карбида SiС и нитрида Si₃N₄. При более высоких температурах пригоден вольфрам и его сплавы, а также графит.

Особое место занимают легкие жаропрочные сплавы. Обычные конструкционные сплавы алюминия теряют прочность выше 200°С, жаропрочные сплавы (ВАД23, ВАЛ10, АЛЗЗ) применимы до температур 300…350°С, а порошковые материалы (САП1, САП4, САС1) даже до 500…550°С. Обычные сплавы магния не используют выше 200°С, а жаропрочные (ВМД10 и ИМВ7) пригодны до температур 300-350 °С. Относительно легкие сплавы титана применяют при температурах не выше 500°С, а специальные жаропрочные (ВТ9, ВТ18) до 550…600°С.

Жаропрочные сплавы на основе никеля представляют уникальную по свойствам группу материалов, сочетающих жаропрочность, химическую стойкость, прочность при статических и переменных нагрузках. Как жаропрочные материалы их используют при температурах 750…1050°С. Оптимальные свойства они приобретают после закалки на воздухе с температур 1200…1250°С и последующего старения при температурах 750…850°С в течение длительного срока (до 20…30ч).

Любые материалы, применяемые при высоких температурах, вступают в химическое взаимодействие с окружающей газовой средой и подвергаются газовой коррозии. Скорость коррозии сильно уменьшается, если материал и активная газовая среда оказываются разделенными пленкой продуктов коррозии, способной сыграть роль защитного барьера.

Способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах называют жаростойкостью. Природной жаростойкостью обладают только благородные металлы.

Для защиты от газовой коррозии используют три метода: изоляцию ме­талла от агрессивной среды, применение защитных покрытий, легирование.

Использование вакуума или инертных газов целесообразно лишь тогда, когда неэффективны два других метода. Тугоплавкие металлы и их сплавы, отличающиеся высокими жаропрочными свойствами при температурах выше 1000°С, нестойки против окисления, и эффективных средств их защиты при этих температурах пока не найдено. Для них в ряде случаев оказалось выгодным применять в качестве рабочей среды инертные газы.

Наибольшее применение при разработке жаростойких материалов получило легирование. Для сталей и сплавов на основе железа или на основе никеля используют хром. Действие хрома заключается в образовании сложного оксида типа (Fе, Сr)₂О₃ на поверхности стали. Стали с содержанием 9…30% хрома успешно эксплуатируются при температурах соответственно 850…1100^оС. Защитное действие оксидной пленки, содержащей хром, усиливается при дополнительном легировании алюминием и кремнием (до 4%) и, особенно, иттрием и редкоземельными металлами (около 1%).

Жаростойкие стали успешно работают в среде топочных и выхлопных газов, в том числе содержащих SO₂.