Материалы для работы при повышенных температурах

Категория:
Сварные соединения


Материалы для работы при повышенных температурах

Сварные соединения из материалов этой группы, кроме выполнения обычных требований прочности, пластичности, отсутствия дефектов, должны отвечать ряду специфических условий, определяемых назначением конструкции и свойствами свариваемого материала.

В связи с этим применяемые в авиационной промышленности материалы этой группы в зависимости от условий эксплуатации изделий, а также по технологическим возможностям, разделяются на жаростойкие и жаропрочные. Жаростойкость (окалиностойкость) характеризуется способностью материала противостоять образованию окалины при работе в среде с высокой температурой (выше 550 °С). Жаропрочными называются материалы, сохраняющие определенный обусловленный предел прочности при длительном нагру-жении в условиях высоких температур и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.

Подобным требованиям обычно соответствуют материалы с высокой степенью легирования — высоколегированные стали или специальные сплавы.

В качестве легирующих элементов в таких материалах широко используются хром, никель, марганец, кремний, кобальт, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др.

Высоколегированные стали и сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, широко применяемыми в производстве оборудования для химической промышленности, в авиации, энергетике, и реактивной технике.

В табл. 8 приведен химический состав некоторых высоколегированных сталей и сплавов, используемых в авиационной промышленности для изготовления изделий, работающих в условиях повышенных температур.

Общими признаками для большинства высоколегированных сталей являются их пониженная по сравнению с углеродистыми сталями теплопроводность, больший коэффициент линейного расширения при нагреве и высокое омическое сопротивление, а также значительная литейная усадка.

К представителям группы жаростойких материалов в первую очередь относятся различного типа нержавеющие стали. Наиболее распространенными из них являются стали типа 18-8 (1Х18Н9Т, и др.). Это стали аустенитного класса, используемые в основном как обшивочный материал для планера аппаратов, летающих со скоростями до 3 — 4 М, для горячих узлов двигателей (удлинительные и реактивные трубы, насадки), изготовляемых из листовых материалов, часто с набором жесткости. Эти стали могут хорошо свариваться всеми основными методами сварки и широко используются также в паяных конструкциях. Они обладают достаточно высокой пластичностью и хорошо штампуются в холодном состоянии.

В последнее время с целью экономии никеля вместо этих сталей используется ряд новых марок; Х13М4ГУ (ЭИ878), Х17Г9АН4 и др., у которых технологические характеристики аналогичны сталям 18-8. Эти материалы в основном используются для работы при температурах до 500 °С. Для узлов двигателей, работающих в атмосферных условиях и в среде продуктов сгорания топлива, они могут применяться для работы при температурах до 800° С. В последнее время в отечественной и зарубежной промышленности все более широко начинают использоваться стали переходного типа аустенитно-мартенситного класса ЭИ904 (СН-2), ЭИ925 (СН-3), СН-4 и др.

По химическому составу они близки к сталям 18-8, но содержат меньше Сг и Ni.

Эти стали стареющего типа; в них дополнительно вводится А1 и Мо. В нормализованном состоянии с 1050 °С эти стали приобретают аустенитную структуру. Обработка холодом (при — 70 °С) или нагартовка позволяют легко перевести ее в мартенсит. Благодаря наличию в сталях А1 и Мо при термическом старении в интервале температур 400 — 500 °С выделяется третья фаза, дополнительно упрочняющая сталь.

Изменяя режим термообработки, можно изменять механические свойства этих сталей в широких пределах (сгв — от 90 до 170 кГ/мм2 и ао,2 — от 36 до 150 кГ/мм2). Стали типа СН в упрочненном состоянии по значениям удельной прочности и пластичности (<ув1у и tfo,2/v) при повышенных температурах в 1,5 — 2 раза и более превосходят другие стали, а также алюминиевые и титановые сплавы.

Как видно из приведенных данных, начиная с температуры 350 °С стали СН имеют наибольшую удельную прочность из сравниваемых материалов. Область применения этих сталей та же, что и предыдущей группы. Для работы при более высоких температурах применяются специальные сплавы, часто используемые как жаропрочные.

В свою очередь жаропрочные материалы в зависимости от типа сварных узлов и условий эксплуатации последних, можно разделить на две подгруппы, существенно различные по своим технологическим свойствам. К первой подгруппе относятся материалы, идущие на изготовление узлов,

работающих при высоких температурах без больших силовых нагрузок. Чаще всего это штампо-сварные листовые конструкции типа камер сгорания, горячих элементов двигателей и т. п., для изготовления которых используются материалы типа ЭИ435, ЭИ602, ВЖ.98, ВЖЮО, ЭИ703 и другие стали и сплавы. Эти материалы при работе в течение длительного времени (100 час) в условиях высокого нагрева (t =900 °С) сохраняют ав=1,5-т-7,5 кГ/мм2, достаточно хорошо работают в газовых средах при температурах 900 — 1200° С, а также обладают сравнительно высокими технологическими свойствами: хорошо свариваются и паяются, штампуются, часто не требуют термической обработки после сварки. Эти материалы также отличаются высокой жаростойкостью, хорошо выдерживают теплосмены. Материалы второй подгруппы используются для изделий, работающих при высоких температурах и испытывающих значительные нагрузки. В основном это материалы на никелевой и никелевокобальтовой основе типа ЭИ437Б, ЛК4, ЖС6, ЭИ826, ЭИ827 и др. Основные требования, предъявляемые к ним, — это жаропрочность, а также соответствующая окали-ностойкость, стойкость к теплосменам, технологичность. По данным длительных испытаний при t=900 °С в течение 100 час их прочность ав=10н-28 кГ/мм2. Окалиностойкость этих материалов несколько ниже, чем у первой подгруппы и находится в пределах 900 — 1100 °С.

Значительно более низкие технологические характеристики большинства из этих материалов, главным образом их невысокая пластичность, допускают формообразование только с нагревом а для получения качественных сварных соединений требуют более сложную технологию сварки. Жаропрочность сварных соединений указанных сплавов находится обычно на уровне 80 — 90% от жаропрочности основного металла.

В зависимости от конкретных условий работы характер предъявляемых требований к сварным соединениям может быть различным. Один и тот же материал может быть использован для изготовления конструкций разного назначения, и сварочные материалы и технология сварки будут в каждом случае различными.

К числу основных трудностей, которые приходится преодолевать при сварке высоколегированных сталей и сплавов, относятся: 1) обеспечение стойкости металла шва и околошовной зоны против кристаллизационных трещин; 2) обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений; 3) сохранение свойств металла шва и сварного соединения во времени под действием рабочих температур и напряжений; 4) получение плотных швов.

При изготовлении изделий из современных высоколегированных сталей и сплавов широко применяются основные виды сварки плавлением (автоматическая под флюсом, в защитных газах), контактной сварки (ТЭС, РЭС) и пайки. При этом нужно отметить, что пониженная теплопроводность и высокий коэффициент линейного расширения обусловливают значительное коробление конструкций при сварке этих материалов. Поэтому основным условием сварки их является применение режимов и методов, которые характеризуются максимальной концентрацией нагрева.

Одной из основных задач технологии дуговой сварки плавлением высоколегированных сталей и сплавов является обеспечение равномерности химического состава по длине шва и его сечению, что требует строгого соблюдения постоянства условий сварки. Понятно, что при механизированных способах сварки легче обеспечить постоянство сварочного режима и стабильность состава, структуры и свойств металла шва. Поэтому при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей и сплавов необходимо стремиться к максимальной механизации сварочных процессов.

Пайка материалов этой группы может производиться при различных способах нагрева: газовым пламенем, в индукционных установках, в печах и др.

Основные трудности при пайке высоколегированных сталей и сплавов обусловливаются образованием на их поверхности химически прочной окисной пленки в связи с наличием в их составе значительных количеств металлов с большим сродством к кислороду — таких как хром, алюминий, титан. Наличие этих элементов затрудняет пайку в восстановительной атмосфере. Обычно основные затруднения, связанные с окисной пленкой, устраняются предварительным никелированием поверхности или применением специальных флюсов при пайке в печах с контролируемой средой. Хорошие результаты в ряде случаев дает применение активной газовой среды в виде смеси аргона с B0F3 или HF. Для пайки применяются припои, часто весьма сложного состава на основе серебра, меди, никеля. Для соединений, работающих при высоких температурах, где требуется высокое сопротивление ползучести, сопротивление окислению и высокая коррозионная стойкость, находят применение серебрянопалладиевые и палладиеникелевые припои, легированные марганцем или алюминием.

Наиболее характерными дефектами при пайке высоколегированных сталей и сплавов являются поры, непропаи и трещины. Исключение их во многом определяется правильностью выбора припоя или флюса, тщательностью подготовки деталей под пайку и соблюдением технологических условий пайки.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум