Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

деленных условиях при отпуске в хрупкое состояние, и быстрое охлаждение на воздухе, если можно ожидать развития такой хрупкости. В зависимости от температуры нагрева различают несколько видов отпуска.

Высокий отпуск выполняют с нагревом для конструкционных сталей до 450—670° С. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Средний отпуск с нагревом до температур, обычно не превы­ шающих 350—480° С, осуществляют в тех случаях, когда необ­ ходимо сохранить упругие свойства в сочетании с достаточной вязкостью. Такому отпуску подвергают, например, некоторые виды пружин.

Низкий отпуск с нагревом до 250° С используют в тех слу­ чаях, когда необходимо сохранить высокую твердость.

Отпуску подвергают не только закаленные, но и нормализо­ ванные металлы и сплавы. Для легированных жаропрочных ста­ лей обычно применяют высокий отпуск с нагревом до 600—700° С. Выбор температуры при отпуске имеет большое практическое значение для сталей, работающих при высоких температурах, так как структура стали будет в процессе эксплуатации тем ста­ бильнее, чем значительнее температура отпуска превышает ра­ бочую температуру. В практике турбостроения отпуску подвер­ гают практически все закаливаемые и большую часть нормали­ зуемых заготовок и деталей.

Из операций химико-термической обработки в турбостроении находит применение азотирование (нитрирование) — насыще­ ние поверхностного слоя изделий азотом, выделяющимся в про­ цессе диссоциации аммиака при нагреве до 500—600° С. В струк­ туре азотируемой стали образуются соединения металла с азо­ том — нитриды, обладающие высокой твердостью и теплостой­ костью. Для азотируемых деталей применяют стали, содержа­ щие легирующие элементы, способные образовывать с азотом проч­ ные нитриды. Поверхностная твердость изделия после азотиро­ вания достигает 1300ЯІ7 и почти равна твердости алмаза.

Азотирование увеличивает предел выносливости стали, ее коррозионную стойкость в паровой, масляной и воздушной сре­ дах и износостойкость. Применение азотирования в турбострое­ нии все более расширяется, так как оно повышает надежность деталей регулирования и парораспределения, сегментов сопел, болтов и шпилек разъемов цилиндров и др.

Диффузионное насыщение. Поверхностные слои металла часто насыщают хромом, алюминием, что значительно повышает стой­ кость к газовой коррозии. Такую химико-термическую обработку применяют, например, для плоских пружин лабиринтных уплотнений.

В последние годы предложены новые способы повышения проч­ ности металлов: механико-термическая обработка (МТО), термо­ механическая обработка (ТМО), термо-механико-магнитная,

53

термо-магнитная и другие виды упрочняющих обработок. Все они представляют собой сочетание различных видов воздействия на металл: деформирование с последующим или одновременным нагревом и длительной выдержкой при сравнительно невысоких температурах; наложение электромагнитного поля на термически обрабатываемое изделие и др.

Такие способы комбинированной обработки, базирующиеся на создании в металле, в соответствии с основными положениями дислокационной теории, структур, обеспечивающих наибольшую сопротивляемость деформированию и разрушению, уже раз­ рабатываются применительно к металлам, используемым в котло- и турбостроении. Например, были изучены возможности приме­ нения, после обычной нормализации и отпуска труб пароперегре­ вателей из стали 12Х1МФ, упрочняющей механико-термической обработки в целях повышения долговечности труб.

Наибольший эффект упрочнения был достигнут в результате применения двухили трехкратной механико-термической обра­ ботки с начальной деформацией 1,5— 10% и промежуточным ста­ рением труб в разгруженном состоянии при 150° С в течение 6 ч. Срок службы стали, определенный методом экстраполяции ре­ зультатов испытаний на длительную прочность, после дополни­ тельной упрочняющей обработки во много раз превышает срок службы стали после обычной термообработки — нормализации

иотпуска.

И.А. Одинг, 3. Г. Фридман и П. В. Зубарев исследовали влия­ ние механико-термической обработки на жаропрочность стали 1Х18Н9 (деформирование на 10% при 600° С и отжиг при этой

температуре в течение 100 ч), сплава ЭИ437 (деформирование на 0,3% при 600° С и отжиг при этой температуре в течение 100 ч) и сплава ЭИ617 (деформирование на 1% при 6009 С и отжиг при этой температуре в течение 100 ч). Было установлено, что в ука­ занных металлах и сплавах в результате механико-термической обработки значительно возрастают предел длительной прочности, срок службы и релаксационная стойкость, а скорость ползучести снижается.

Восстановительная термообработка. Особое место занимают некоторые виды термообработки, имеющие целью обеспечить на­ дежную службу металла, в котором в процессе эксплуатации при высоких температурах (в условиях воздействия постоянных или переменных напряжений) возникли повреждения и уже достигли известной степени развития.

По современным теориям процесс разрушения развивается в металле постепенно. При деформации вначале образуются суб­ микроскопические повреждения, которые становятся микроско­ пическими, затем макроскопическими и приводят в результате к разрушению металла. Эффективным для повышения долговеч­ ности может явиться «залечивание» возникших в металле повреж­ дений. Проведено немало исследований возможности «залечива-

54

ния» повреждений, в частности металлов, применяемых в энерго­ машиностроении.

В. С. Иванова и Н. А. Воробьев изучали возможность устра­ нения накопленных повреждений, возникших в металле прутков 014 мм из стали IX18Н9Т и прутков 02 0 мм из никелевого сплава ЭИ437А при различных способах нагружения. Образны стали IX18Н9Т для «залечивания» отжигали при 1100° С в течение 30 мин, сплава ЭИ437А— при 1150° С в течение 1 ч. В результате были сделаны выводы, что при такой термической обработке в исследо­ ванных металлах может происходить «залечивание» субмикроско­ пических трещин и что в принципе существуют эффективные ме­ тоды повышения долговечности поврежденного металла специаль­ ной термообработкой.

П. А. Антикайн исследовал возможности устранения поврежде­ ний, накапливаемых при переменных напряжениях в металле образцов углеродистой стали 15кп. И. И. Трунин исследовал образцы сталей ЭИ257 и 1Х18Н9Т после испытаний на ползучесть и длительную прочность и пришел к заключению, что если де­ фекты в деформируемом металле не достигли некоторых крити­ ческих размеров, восстановительная термическая обработка мо­ жет существенно повысить долговечность его службы.

Режимы восстановительной термической обработки следует определить для каждого металла и сплава конкретно, на основе анализа характера накопившихся повреждений.

СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

При испытаниях и исследованиях металлов, используемых в турбостроении, приходится встречаться с описываемыми ниже структурными составляющими сталей и сплавов.

Железо — элемент, обладающий полиморфизмом. При темпе­ ратуре до 910° С железо имеет объемноцентрированную кристал­ лическую решетку Fea. Постоянная решетки — длина ребра куба а = 2,86 ІО-7 мм или 2,86 Â (атомные расстояния выра­ жаются в специальных единицах— ангстремах: 1 Â = 1 10~7 мм). При температуре металла 910° С происходит перестройка этой решетки в гранецентрированную решетку Fe?, которая при 1400° С вновь превращается в объемноцентрированную, обозначаемую Fe6. При температуре 768° С в железе, без перестройки решетки, происходит изменение магнитных свойств. Если температура выше 768° С, то железо становится нема" нитным; в этом состоянии его иногда называют ß-железом.

Феррит. Твердый раствор углерода в a -железе называют ферритом. Растворимость углерода в a -железе очень невелика: от 0,006% при комнатной температуре до 0,04% при 723° С. Твердость феррита (примерно) НВ 60—80. Феррит— вещество ферромагнитное. Ферритную составляющую можно наблюдать при изучении структуры турбинных валов из углеродистой и

55

легированной сталей, дисков, стальных отливок цилиндров. Под микроскопом феррит при обычном травлении светлый. Он наблю­ дается в виде отдельных полиэдров — зерен или в виде сетки. На рис. 22 показана структура турбинного диска из углеродистой стали при 130-кратном увеличении. Светлая тонкая сетка вокруг темных зерен — феррит. На рис. 23 изображена структура (при 250-кратном увеличении) трубы паропровода из стали, содержащей 0,5% молибдена. Светлые участки представляют собой зерна феррита.

Цементит. Химическое соединение железа с углеродом Fe3C называют цементитом. В составе цементита 93,33% железа и 6,67% углерода. В отличие от феррита цементит характеризуется хрупкостью и высокой твердостью (~ Я 5 800). Так как раствори­ мость углерода в a -железе очень мала, углерод в стали обычно входит в состав цементита или других карбидов. Цементит ферро­ магнитен до температуры 217° С. В сталях цементит наблюдается в различных формах — от пластинок до сфероидов. При длитель­ ном воздействии высоких температур происходит процесс сфероидизации цементитной составляющей, который существенно изме­ няет прочность стали.

В определенных условиях цементит распадается с выделением свободного углерода в виде графита. В связи с этим в сталях мо­ жет происходить процесс графитизации, последствия которой могут быть весьма опасны. Наличие в конструкционной стали структур­ носвободного цементита нежелательно. Обычно цементит при­ сутствует в стали в составе перлита.

Перлит. Механическую смесь феррита и цементита называют перлитом. В составе перлита семь частей феррита и одна часть цементита. Перлит бывает пластинчатый и зернистый. На рис. 24 при 800-кратном увеличении представлена структура пластинча­ того перлита. В зернистом или глобулярном перлите цементит в форме сфероидов равномерно распределен в ферритной массе.

Предел прочности при разрыве пластинчатого перлита дости­ гает примерно 90 кгс/мм2, относительное удлинение—-до 10%. Прочность зернистого перлита ниже, чем пластинчатого, а пла­ стичность выше.

При определенном содержании углерода, составляющем 0,8—0,9% для углеродистых сталей с различным содержанием кремния и марганца, сталщ имеет перлитную структуру. Такой состав стали называют эвтектоидным. При более низких со­ держаниях углерода сталь имеет перлитную и ферритную струк­

туру.

В зависимости от степени дисперсности пластинчатый перлит подразделяют (ГОСТ 8233—56) на 10 баллов с межпластинчатыми расстояниями (определяемыми под микроскопом при 1000-кратном увеличении): для первого балла — менее 0,20 мкм; для десятого балла — более 2 мкм. Зернистый перлит также подразделяют на 10 баллов со средним диаметром зерен цементита при указанном

56

Рис. 24. Пластинчатый перлит (Х 800)

57

увеличении для первого балла (точечного) до 0,25 мкм, для десятого балла (грубозернистого) более 3 мкм.

При содержании углерода выше эвтектоидного структура со­ стоит из перлита и свободного цементита. Структурносвободный цементит наблюдается и в сталях с малым содержанием углерода, очень далеким от состава сплава, соответствующего эвтектоидному.

В конструкционных сталях, из которых изготовляют детали паровых турбин, содержание углерода обычно не превышает 0,3—■ 0,4%. Эти стали в состоянии нормализации или отжига характе­ ризуются феррито-перлитной структурой. На рис. 25 показаны подобные структуры вала, диска и цилиндра турбины.

Сорбит. Как и перлит, сорбит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Однако строение сорбита значительно более тонкое. Структуру сорбита имеют турбинные лопатки из высокохромистых нержавеющих сталей, поковки турбинных дисков, валов и роторов из легированных сталей (хромомолибде­ новой, хромоникельмолибденовой и др.) после закалки и отпуска. На рис. 26 показана структура сорбита на шлифе металла турбин­ ной лопатки из стали 2X13 после закалки при температуре 1000° С в масле и последующего отпуска при 650° С с охлаждением на воздухе. Прочность и твердость сорбита выше, чем перлита.

Аустенит. Твердый раствор углерода в у-железе, которое имеет кристаллическую пространственную решетку куба с цен­ трированными гранями, называют аустенитом. Параметр решетки равен 3,65 Â. у-железо растворяет углерод в количестве до 1,7%. Атомы в нем размещены значительно плотнее, чем в а-железе. Поэтому переход а-железа в модификацию у сопровождается уменьшением объема металла. Структура аустенита показана на рис. 27. Подобную структуру имеют, например, высоколегиро­ ванные стали, применяемые для изготовления рабочих лопаток газовых турбин.

Аустенит характеризуется относительно невысокой твердостью, пониженной прочностью и высокими пластическими свойствами: относительное удлинение достигает 50%; ударная вязкость вы­ сока. Сталь со структурой аустенита имеет максимальную плот­ ность, высокое электрическое сопротивление, немагнитна и устой­ чива против коррозии в растворах кислот.

Таковы основные структурные составляющие сталей, приме­ няемых в турбостроении.

«Стальной угол» диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов показан на рис. 28. Н иже температур, лежащ их на линии АЕ, стали находятся в твердом состоянии. Неправильный четырехугольник AESG ограничивает область аусте­

в зависимости от содержания углерода начинаются при температурах, соответ­

58