Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 2
| Листать книгу |
|---|
| Листать |
| Страницы:
1 ... 22 ... 66 ... 110 ... 154 ... 184 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 Следовательно, для успешного проектирования и использования суперсплавов очень важно понять природу процессов их окисления, а также зависимость этих процессов от свойств сплавов и условий их эксплуатации ... В этой главе мы дадим краткий обзор сведений об основах окислительных процессов металлов и сплавов, а затем обсудим поведение простых сплавов, образующих соединения Сг ... Далее рассмотрим влияние обычных легирующих элементов на характер окисления этих базовых систем сплавов и заложим тем самым основу для расширенного рассмотрения и трактовки процессов окисления, которым подвергаются сложные суперсплавы ... Основные принципы окисления сплавов В этом разделе мы кратко рассмотрим основные представления об окислении металлов и сплавов Чистые металлы Согласно ряду наблюдений скорость роста оксидного слоя, определяемая характеристиками диффузии, обычно может быть описана уравнением ... Следовательно, для успешного проектирования и использования суперсплавов очень важно понять природу процессов их окисления, а также зависимость этих процессов от свойств сплавов и условий их эксплуатации ... Тем не менее, константы параболического уравнения скорости удобно использовать для сравнения относительных скоростей окисления в тех многочисленных случаях, когда поведение системы хотя бы приблизительно следует параболическому закону ... Тем не менее, константы параболического уравнения скорости удобно использовать для сравнения относительных скоростей окисления в тех многочисленных случаях, когда поведение системы хотя бы приблизительно следует параболическому закону ... При низких концентрациях В будет образовываться поверхностный слой АО, а оксиды ВО, образующиеся путем внутреннего окисления, выделяются во внутренних объемах сплава ... Создание сплошного слоя ВО кладет конец продолжению формирования оксида АО, если последний менее устойчив, чем ВО, хотя до создания совершенного слоя ВО образуется некоторое количество соединения АО ... Иными словами, легирующий элемент В, оксид которого очень стабилен и медленно растет, вводят в количестве, достаточно большом для формирования поверхностного защитного слоя посредством ... В конечном счете такое обеднение будет проводить к обогащению окалины оксидами элемента А, а скорость окисления возрастет до уровня, присущего образованию оксида АО ... Последняя из перечисленных причин особенна важна, так как большинство суперсплавов работает в условиях циклического изменения температуры, что сопровождается возникновением напряжения из ... Не следует, правда, считать подобные измерения заведомо отрицающими справедливость данных о преобладании дефектов типа внедренных ионов Сг, ибо наиболее высокое из значений ... Аналогичные явления наблюдали и в тех случаях, когда до начала окисления активно окисляющиеся добавки присутствовали в сплаве в виде мелкодисперсных оксидных выделений ... Установление предельной толщины окалины свидетельствует о реализации ее защитных свойств, но при этом расходуемое количество металла увеличивается, пока скорость расхода не достигнет некоторой постоянной величины ... В действительности кинетика процесса лимитирована существованием противодействующих диффузионных потоков в сплаве, а именно, кислорода вовнутрь и алюминия изнутри ... Установление предельной толщины окалины свидетельствует о реализации ее защитных свойств, но при этом расходуемое количество металла увеличивается, пока скорость расхода не достигнет некоторой постоянной величины ... Управляющую роль химического состава по отношению к окислению легче всего обобщить с помощью карт, на которых представлены оксиды, образуемые компонентами окалины, а также изменения массы в функции содержания Сг и А ... Продолжительные окислительные циклы вызывают существенное сужение зоны оптимальной противоокислительной стойкости в направлении повышенного содержания а ... Это предположение выглядит особенно справедливым при рассмотрении коэффициентов зернограничной диффузии кислорода, вычисленных с помощью моделей фактического роста окалины А ... Поэтому складывается мнение, что внутри окалины могут образовываться новые оксиды, а диффузия алюминия к поверхности сплава ответственна за возникновение ... Сплавам, относящимся к этой области, присуще оптимальное сочетание стойкости к изотермическому и циклическому окислению, обусловленное превосходной связью окалины с подложкой и минимальной скоростью ее роста ... Обеспечение химической связи Оксид внедряется в металл и механически прикрепляет к нему окалину Образование пор на поверхности раздела окалины и металла предотвращено посредством аккомодации вакансий Предотвращена встречная диффузия А ... Из всех элементов, проявляющих окислительную активность, промежуточную между активностью алюминия и никеля, самое сильное благотворное влияние оказывает кремний ... Следовательно, вредное влияние тугоплавких элементов оказывается более весомым, чем их благотворное влияние, так что для повышения противоокислительной стойкости их обычно в суперсплавы не вводят ... Представляется, например, что тантал, не вызывает столь вредных последствий, как вольфрам или молибден, поэтому он один из тех тугоплавких элементов, которые следует предпочесть ... Вольфрам, молибден и ванадий ведут себя примерно одинаково, но вольфрам определенно сильнее снижает скорости обменной диффузии, чем остальные элементы, и, следовательно, более, чем другие способен к неблагоприятному влиянию в отношении избирательного окисления ... Нередко вслед за этим наступает период параболического роста, и его описание требует знания двух или трех констант скорости, делая простое сравнение сплавов невозможным ... Обедненные зоны и фронт внутреннего окисления это тоже явления, которые связаны с параболическим изменением скорости роста, возрастающей с повышением температуры ... Перемены в характере окисления, связанные с изменением длительности, температуры или цикличности окислительного воздействия, трудно обобщить применительно ко всем сплавам и условиям эксплуатации ... В полной мере характер окисления промышленных суперсплавов определяется не только каждым элементом в отдельности, но и совокупным влиянием множества сложных реакций между этими элементами ... Взаимодействие между множеством легирующих элементов занимает определенное место в том подлинном механизме, посредством которого химический состав сложных суперсплавов влияет на характер их окисления ... Проникнуть в суть явления помогает ранжирование сплавов по численным характеристикам от лучших к худшим, а также выявление соответствующих тенденций в совокупном химическом составе сплавов ... Карты многоэлементного окисления, иллюстрирующие некоторые тенденции в изменении химического состава суперсплавов с целью повлиять на их циклическую окисляемость ... Карты многоэлементного окисления, иллюстрирующие некоторые тенденции в изменении химического состава суперсплавов с целью повлиять на их циклическую окисляемость ... Выявить однозначно влияние химического состава значительно труднее, так как в отличие от рассмотренных ранее статистических исследований химический состав в данном случае не подвергали систематическим изменениям ... Выявить однозначно влияние химического состава значительно труднее, так как в отличие от рассмотренных ранее статистических исследований химический состав в данном случае не подвергали систематическим изменениям ... Объяснением этому служит быстрый рост рыхлых оксидов кобальта, а также типичное для подобных сплавов повышенное содержание тугоплавких металлов и пониженное содержание алюминия ... Необходимым условием ее протекания является образование на поверхности материала осажденного слоя соли или шлака, что приводит к изменению характера взаимодействия данного сплава с окружающей средой ... коррозия, модифицированная присутствием на поверхности сплавов слоя осадка, происходит в котлах, мусоросжигающих печах, дизельных двигателях, глушителях двигателей внутреннего сгорания и газовых турбинах ... Уровень коррозионного разъедания материалов, работающих в таких условиях, в значительной степени зависит от вида и чистоты используемого топлива, а также качества подаваемого в зону горения воздуха ... В большинстве случаев, однако, условия, в которых протекают такие испытания, либо меняются со временем, либо не поддаются точному определению, вследствие чего полученные результаты трудно использовать для идентификации действующих механизмов коррозии ... С целью обойти эти трудности были разработаны такие лабораторные методы испытания на горячую коррозию, в которых на основании известных из практики особенностей коррозионного разрушения материалов моделируются реальные условия эксплуатации металлов и сплавов ... Важным критерием адекватности результатов натурных и лабораторных методов испытания является сравнение степени деградации материала по изменению его микроструктуры ... Как видно, в материалах, работавших в авиационных двигателях, среди идентифицированных фаз обнаруживаются выделения сульфидов, которые отсутствуют в материалах корабельных турбин, работавших в морских условиях ... Структура материала, испытанного в строго контролируемых лабораторных условиях, не должна отличаться от его структуры после работы в условиях реальной эксплуатации ... Конечно, и в этом случае реальные условия работы материала учитываются при выборе условий проведения эксперимента, однако основное внимание в отличие от стендовых методов испытания уделяется как можно более точной выдержке заданных условий ... В большинстве случаев, однако, условия, в которых протекают такие испытания, либо меняются со временем, либо не поддаются точному определению, вследствие чего полученные результаты трудно использовать для идентификации действующих механизмов коррозии ... С целью обойти эти трудности были разработаны такие лабораторные методы испытания на горячую коррозию, в которых на основании известных из практики особенностей коррозионного разрушения материалов моделируются реальные условия эксплуатации металлов и сплавов ... Стендовые установки для проведения таких испытаний, как правило, состоят из горелок для сжигания газообразного или жидкого топлива, системы подачи топлива и воздуха, камеры сгорания и специального отсека для размещения образцов, где они могут закрепляться стационарно или в специальных держателях, допускающих быструю смену образцов ... Для получения на поверхности образцов слоя загрязняющего осадка в рабочий объем установки может вводиться соответствующее загрязняющее вещество, например морская вода, либо прямым впрыскиванием в камеру сгорания, либо подмешиванием в топливо ... Степень деградации при горячей коррозии материала может оцениваться разными способами, однако чаще всего используют методы определения потери массы образцов путем их взвешивания после снятия окалины и измерения глубины проникновения в материал продуктов взаимодействия сплава с окружающей средой ... С практической точки зрения результаты лабораторных исследований с помощью испытательных стендов имеют значение лишь в том случае, когда можно провести корреляцию между ними и данными по горячей коррозии материала в реальных условиях ... Как правило, условия проведения стендовых испытаний гораздо жестче реальных условий эксплуатации, поэтому при экстраполяции результатов таких испытаний на рабочие условия эксплуатации материалов требуется определенная осторожность, так как разница во внешних условиях может приводить к смене действующих механизмов коррозионной деградации материала ... Стендовые испытания удобны для ранжирования различных сплавов по степени их стойкости к горячей коррозии, однако предсказать долговечность конкретного сплава в конкретных коррозионных условиях, опираясь на результаты только таких испытаний, можно лишь в некоторых особых случаях ... Результаты, полученные на таких стендах, свидетельствуют, что хотя давление и оказывает некоторое влияние на скорость горячей коррозии, однако эффект не, столь велик, чтобы возникла необходимость в проведении всех испытаний при повышенном давлении рабочей среды ... Простейший способ — это выдержка в контролируемой газовой среде при определенной температуре образца с нанесенным на него слоем осадка требуемого состава ... При некоторых условиях в процессе испытания может происходить испарение нанесенного модифицирующего слоя, что усложняет интерпретацию результатов и делает необходимым проведение детального металлографического анализа образцов после окончания температурной выдержки ... В этих методах образцы, как правило, подвергаются воздействию такой же среды, что и при испытаниях в тиглях, а экспериментальная установка представляет из себя электрохимическую ячейку, в состав которой входят электролит из расплава соли, эталонный электрод, рабочий электрод и, возможно, несколько дополнительных электродов ... Данные, полученные из таких экспериментов, можно использовать для сравнительной оценки коррозионной стойкости разных сплавов в близких по составу расплавах ... Основываясь на представленных результатах, можно все рассмотренные материалы расположить в следующем порядке по степени возрастания их стойкости к горячей коррозии ... Кинетика деградации материала при горячей коррозии Одна из проблем, возникающая при изучении процесса горячей коррозии металлов и сплавов, связана с изменением механизма деградации материала в процессе его коррозионного разъедания ... Сильное коррозионное воздействие наблюдали каждый раз при увеличении или уменьшении массы тельно, и следующая за ней вторая стадия, характеризующаяся резким усилением разъедания ... Металлографический анализ образцов показывает, что в зависимости от времени испытания микроструктура материала с усилением степени его разъедания заметно меняется ... На начальной стадии горячей коррозии она мало отличается от структуры, характерной для образцов, корродировавших без модифицирующего слоя соли, однако затем, по мере увеличения скорости разъедания, различия между ними становятся все более значительными ... Такая тенденция развиваться в две стадии, а именно, начальной стадии инициирования и последующей стадии развития, является общей характерной особенностью процесса горячей коррозии ... Коррозионная стойкость сплавов обеспечивается за счет образования на их поверхности защитного слоя из продуктов некоторых химических реакций и, следовательно, экспериментально наблюдаемая кинетика деградации материала связана с заменой более стойкого защитного слоя из продуктов реакции, протекающей в первую очередь, на менее стойкий из продуктов другой реакции, протекающей позднее ... Вследствие этого свойства защитного барьера из продуктов химических реакций, образующегося в это время на поверхности сплава под слоем осадка, обычно не отличаются от свойств такого же барьерного слоя, образующегося при прямом взаимодействии сплава с газовой средой ... Однако по мере развития процесса горячей коррозии начинают проявляться некоторые особенности, свидетельствующие о влиянии осажденного модифицирующего слоя соли на процесс коррозии ... Так, например, в ряде случаев горячая коррозия сопровождается заметным увеличением числа частиц сульфидов, выделяющихся на поверхности сплава под барьерным слоем из продуктов химических реакций ... Так или иначе, в конце концов защитные свойства барьерного слоя, образующегося за счет селективного окисления сплава, резко снижаются и процесс горячей коррозии переходит в стадию развития ... Двустадийность процесса деградации материала при горячей коррозии не всегда проявляется достаточно отчетливо, и время, в течение которого стабильностьзащитного барьера из продуктов химических реакций еще сохраняется под слоем осажденной соли, зависит от очень многих факторов ... Обычно обе стадии хорошо выявляются в тех случаях, когда для образования продуктов химического взаимодействия сплава с осажденной солью, не обладающих защитными свойствами, требуется некоторое время ... Для этого необходимо, чтобы произошло либо обеднение сплава определенными элементами, что вызывает изменение характера его химического взаимодействия с осажденной солью и образование других, по сравнению с начальным периодом взаимодействия, продуктов реакций, либо такое изменение состава осажденного осадка, которое делает невозможным постоянное возобновление защитного барьерного слоя ... При обсуждении влияния конкретных химических элементов на стойкость сплавов в условиях горячей коррозии следует учитывать возможность действия различных механизмов коррозии на стадии развития ... При обсуждении влияния конкретных химических элементов на стойкость сплавов в условиях горячей коррозии следует учитывать возможность действия различных механизмов коррозии на стадии развития ... При обсуждении стойкости конкретных сплавов к разъеданию при горячей коррозии важно точно указывать условия, в которых оно происходит, так как один и тот же сплав может вести себя совершенно по ... При постоянной скорости введения соли с ростом температуры скорость ее осаждения, а следовательно, и количество осажденной на образцах соли, уменьшается, что приводит к более слабому разъеданию материалов при более высоких температурах ... Влияние температуры может быть исключительно важным и вследствие возможной смены контролирующего механизма коррозионной деградации материала при изменении температуры, причем разные механизмы могут иметь существенно отличающиеся времена инициации стадии развития горячей коррозии ... Таким образом, влияние температуры на константу скорости процесса может проявляться не только вследствие изменения кинетики протекающих химических реакций, но и за счет стимуляции совершенно новых механизмов взаимодействия ... Влияние состава газовой среды Изменения в составе газовой фазы могут оказывать существенное влияние на длительность начальной стадии коррозионного разъедания, скорость разъедания и особенно на последующую стадию развития горячей коррозии ... Влияние состава соли и скорости осаждения От химического состава нанесенного на поверхность сплава слоя соли и скорости его осаждения зависят не только время до начала коррозионного разъедания, но и механизм разъедания на последующей стадии развития коррозии ... Разъедание материала при горячей коррозии происходит вследствие изменения типа химических реакций, протекающих между сплавом и окружающей газовой средой, под влиянием осажденного на поверхности этого сплава слоя соли ... Даже твердые осажденные слои с очень высокой плотностью могут вызывать заметные изменения химических потенциалов реагирующих веществ на границе раздела между сплавом и осажденным слоем по сравнению с их значениями в объеме газа ... Количество соли, осажденной на поверхности сплава, очень сильно влияет на длительность начальной стадии горячей коррозии, скорость коррозии и механизмы коррозионного разъедания ... Влияние состава соли и скорости осаждения От химического состава нанесенного на поверхность сплава слоя соли и скорости его осаждения зависят не только время до начала коррозионного разъедания, но и механизм разъедания на последующей стадии развития коррозии ... С другой стороны, если разъедание происходит в результате накопления в осадке компонентов сплава, то более быстрый переход к стадии развития будет наблюдаться при более тонких осажденных слоях соли ... Влияние других важных факторов Рассмотренные выше параметры, такие как состав сплава, температура, состав газовой фазы и осажденного слоя, оказывают, вероятно, наиболее сильное влияние на длительность начальной стадии разъедания и механизм последующей стадии развития горячей коррозии ... Так как литые сплавы, как правило, менее гомогенны по составу, чем прошедшие дальнейшую обработку или полученные методами консолидации порошков, то на характеристики горячей коррозии сплавов могут влиять и условия их приготовления ... Можно попытаться также использовать диаграммы термодинамического равновесия для определения стабильности разных оксидов, образующихся на поверхности сплавов под слоем осажденной соли Ма ... Можно попытаться также использовать диаграммы термодинамического равновесия для определения стабильности разных оксидов, образующихся на поверхности сплавов под слоем осажденной соли Ма ... В частности, именно присутствие соли является причиной появления на поверхности сплава продуктов такого взаимодействия, не обладающих защитными свойствами ... В первую можно включить все механизмы, имеющие ту общую особенность, что образование продуктов химических реакций, не обладающих защитными свойствами, происходит в них вследствие некоторого ... Другая группа механизмов отличается тем, что в процессах образования продуктов химических реакций, не обладающих защитными свойствами, главную роль играют некоторые компоненты, входящие в состав осажденной соли ... Таких процессов может быть множество, но из всех возможных причин разрушения защитных барьерных слоев на поверхности сплавов следует особо отметить один важный механизм, который зависит от экспериментальных условий, таких как состав сплава и газовой фазы, температура и характеристики осадка ... Кроме того, степень разъедания материала зависит от концентрации оксидных ионов в расплаве и, следовательно, для обеспечения непрерывности процесса разъедания требуется постоянная подпитка осажденного слоя свежими порциями расплава ... С другой стороны, анализ микроструктуры после коррозии показывает, что в областях сплава на границе раздела с продуктами коррозии оксидов кобальта и никеля нет ... Важно определить применимость всех этих моделей в зависимости от состава сплавов и условий проведения низкотемпературных испытаний на горячую коррозию ... При твердофазном кислом флюсовании обычные защитные оксиды могут уничтожаться путем их необратимого или обратимого, с последующим выпадением в осадок уже в виде незащищающих оксидов, растворения в расплаве ... Как и для многих других процессов развития коррозии в настоящее время еще невозможно сделать окончательное заключение о механизме твердофазного флюсовании ... Наиболее существенной особенностью твердофазного кислого флюсования является его самоподдерживающийся характер, что делает возможным полное разрушение сплава даже после однократного осаждения жидкого осадка ... Здесь важно подчеркнуть, что при высоких температурах длительность начальной стадии горячей коррозии больше, чем при низких, и это следует учитывать при сравнении скоростей горячей коррозии при разных температурах ... Сульфидация возможна во всем температурном интервале, но как и в предыдущем примере, вызываемое ею разъедание при пониженных температурах не столь значительно, если осажденный слой конденсируется не как жидкая фаза ... Схема,иллюстри рующая температурные диапазоны и составы газовой фазы, в пределах которых приобретают определяющее значение механизмы распространения горячей коррозии ... В то же время исследования микроструктуры показали, что коррозионное разъедание в этом случае преимущественно распространяется по богатым алюминием фазам ... Увеличение концентрации хрома в сплаве не увеличивает длительность начальной стадии газофазной кислой коррозии, однако вызывает снижение скорости коррозии на стадии развития ... Использованию таких окалин как части системы защиты сплавов препятствует, однако, их высокая чувствительность к коррозионной деградации за счет основного флюсования ... Однако так как для стимулирования этой формы горячей коррозии требуется достаточно сильное окисление тугоплавких металлов, то все элементы, способствующие селективному окислению алюминия или хрома в составе суперсплава, в известном смысле могут рассматриваться как примеси, подавляющие твердофазное кислое флюсование ... Все остальные элементы, кроме хрома и алюминия, входящие в состав суперсплавов, не оказывают существенного влияния на стимулированную серой горячую коррозию ... Так, например, некоторые исследователи полагают, что существенный вклад в процесс деградации при горячей коррозии деталей газовых турбин могут вносить частички углерода, соударяющиеся с поверхностью материала ... Все остальные элементы, кроме хрома и алюминия, входящие в состав суперсплавов, не оказывают существенного влияния на стимулированную серой горячую коррозию ... Так, например, некоторые исследователи полагают, что существенный вклад в процесс деградации при горячей коррозии деталей газовых турбин могут вносить частички углерода, соударяющиеся с поверхностью материала ... Все остальные элементы, кроме хрома и алюминия, входящие в состав суперсплавов, не оказывают существенного влияния на стимулированную серой горячую коррозию ... Разумно предположить, что как только горячая коррозия суперсплавов переходит в стадию развития, скорость разъедания материала становится с практической точки зрения недопустимо большой при любых механизмах развития коррозии ... Следовательно, основной параметр, по которому имеет смысл проводить сравнение стойкости суперсплавов к горячей коррозии и который определяет эту стойкость, это время, необходимое для инициации стадии развития коррозионного разъедания, то есть длительность начальной стадии горячей коррозии ... К сожалению, во многих литературных источниках среди данных по горячей коррозии суперсплавов время до начала инициации коррозионного разъедания не приводится ... С другой стороны, изготовители газовых турбин вполне понимают важность этого фактора и при выборе сплавов для узлов и деталей турбин пользуются собственными источниками информации ... Перед тем, как перейти к сравнению стойкости к горячей коррозии разных суперсплавов, важно подчеркнуть, что в этих сплавах очень часто после инициации коррозионного разъедания процесс может развиваться в несколько стадий ... |
Двойные и тройные карбидные и нитридные системы переходных металлов: Справ, изд.
Новые процессы получения металла (металлургия железа)
Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 1
Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 2
Сплавы с эффектом памяти формы
Справочник молодого термиста
Сварка, пайка, склейка и резка металлов и пластмасс. 3-е изд.: Справ. изд.