一: Классификация и современное применение никеля и никелевых сплавов
1. Классификация по легирующим элементам
(1) Промышленный чистый никель:
Промышленный чистый никель имеет слегка желтоватый оттенок по сравнению с серебром и блестящую поверхность. Он обладает превосходной пластичностью и прочностью, а также устойчивостью к атмосферной коррозии, щелочам и пресной воде. В промышленном производстве чистый никель преимущественно используется в виде проката для изготовления конструкционных элементов. Содержание никеля в нем превышает 99%, а содержание углерода не превышает 0,3%. Он обладает относительной стабильностью при повышенных температурах и определенными тепловыми свойствами. В настоящее время конструкционные элементы из промышленного чистого никеля широко используются в камерах сгорания авиакосмических самолетов, газовых турбинах и теплообменниках ядерных реакторов.
(2) Сплавы на основе никеля:
Сплавы на основе никеля создаются путем добавления к чистому никелю легирующих элементов, таких как Cu, Cr, Mo, Nb и W. Примерами являются серии Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ni-Cr-Mo и Ni-Cr-Mo-Cu.
2. Классификация по методу упрочнения сплава
(1) Неподдающийся термообработке промышленный чистый никель:
Эта категория включает чистый никель без легирующих элементов, прочность которого не может быть повышена с помощью термической обработки. Примерами являются серии Ni200 чистого никеля. Благодаря своим свойствам этот промышленный чистый никель находит широкое применение в компонентах ракетных двигателей, коррозионно-стойких испарителях, элементах сонарного оборудования, электродах свечей зажигания и катодах электронных ламп.
(2) Легированные сплавы:
Эти сплавы содержат небольшие количества легирующих элементов, таких как Al, Cr, Cu, Fe, Mo, Ti, W, V, Nb и редкоземельные элементы. Для повышения прочности сплава используется высокотемпературная термическая обработка.
(3) Никелевые сплавы, упрочненные осаждением:
Эти сплавы достигают повышения прочности за счет последовательной термической обработки в твердом растворе с последующей старением после добавления легирующих элементов. Их разработка в первую очередь направлена на условия эксплуатации, связанные с высокими температурами и нагрузками.
(4) Сплавы, упрочненные дисперсией:
Эти сплавы в основном состоят из никелевых сплавов, упрочненных диспергированным оксидом тория, таких как TD-Ni и DS-Ni. Содержащий примерно 2% оксида тория и 98% никеля, оксид равномерно диспергирован по всей матрице сплава, что значительно повышает прочность на разрыв. По сравнению со сплавами TD-Ni, сплав TD-NiCr типа Ni-Cr, содержащий около 20% хрома, демонстрирует превосходную прочность и коррозионную стойкость.
3. Классификация по методу формирования сплава
(1) Деформируемые никелевые сплавы:
Эти сплавы в основном являются никелевыми сплавами, полученными путем обработки давлением, которые могут быть прокатаны в тонкие листы и другие мелкие прокатные детали. В результате они обладают высокой термической стабильностью и термической прочностью. Никелевые сплавы подвергаются термической обработке для достижения хорошей пластичности и прочности, что позволяет им выдерживать высокотемпературные динамические нагрузки и проходить процессы штамповки. Они широко используются в производстве для формирования сварных конструкционных деталей.
(2) Литой никелевый сплав:
Эти сплавы отливаются в детали определенных форм и размеров с помощью литейных технологий. В производстве часто используются методы прецизионного литья. Сплавы сохраняют хорошую термическую прочность и свариваемость. Однако из-за микроструктуры литья и подверженности дефектам литья литые сплавы используются реже, чем кованые сплавы.
二: Легирование никеля и никелевых сплавов
(1) Влияние серы:
При сварке никелевых сплавов сера оказывает более выраженное влияние на металл сварного соединения, чем на другие сплавные материалы. Основная проблема, возникающая в связи с этим влиянием, заключается в появлении трещин кристаллизации в металле сварного соединения.
(2) Влияние магния:
Магний образует сульфиды в никеле и никелевых сплавах, которые имеют значительно более высокую температуру плавления, чем типичные сульфиды. Следовательно, магний способствует затвердеванию серы, тем самым смягчая ее вредное воздействие.
(3) Влияние ниобия:
Добавление ниобия в никелевые сплавы значительно снижает вероятность появления горячих трещин.
(4) Влияние свинца:
Свинец является нежелательным элементом в никелевых сплавах, в первую очередь из-за его склонности вызывать термические трещины в сварных швах — явление, называемое ослаблением свинцом.
(5) Влияние фосфора:
Фосфор влияет на никелевые сплавы аналогично серу и свинцу. Несмотря на его минимальное содержание, его вредное воздействие не следует недооценивать. В сплаве фосфор в основном образует с никелем низкоплавкие эвтектические соединения, сегрегирующиеся на границах зерен. Это увеличивает ширину частично расплавленной зоны, тем самым повышая склонность к растрескиванию.
(6) Влияние бора:
Бор улучшает высокотемпературные механические свойства и прочность никелевых сплавов, но имеет и отрицательные эффекты. В металле сварного шва и зоне термического влияния никелевых сплавов бор, превышающий допустимые пределы, образует с никелем низкоплавкие эвтектики. Он также может участвовать в легировании элементов, образуя низкоплавкие соединения, что увеличивает склонность к горячему растрескиванию.
(7) Влияние циркония:
В никелевых сплавах цирконий ведет себя аналогично бору. Небольшие добавки улучшают механические свойства при высоких температурах и вязкость разрушения. Однако чрезмерные количества, особенно в условиях сварки, способствуют сегрегации в металле сварного шва, тем самым увеличивая склонность к горячему растрескиванию.
(8) Влияние углерода:
Углерод действует как междоузльный упрочняющий элемент в никелевых сплавах, образуя карбиды с карбидообразующими элементами, такими как Mo, Cr и Nb, для повышения прочности. В никелевых сплавах без хрома углерод выпадает в виде зернистого графита на границах зерен в зоне термического влияния в условиях высокотемпературной сварки, снижая пластичность этой зоны. Кроме того, в таких сплавах, как Ni-Cr и Ni-Cr-Fe, углерод увеличивает склонность к межкристаллитной коррозии. Однако эта тенденция смягчается, если в качестве стабилизаторов добавляются титан и ниобий. Использование никель-хромовых сплавов с ультранизким содержанием углерода позволяет достичь аналогичного эффекта.
(9) Влияние молибдена:
Молибден действует как карбидообразующий элемент в никеле и никелевых сплавах. Он вносит значительный вклад в упрочнение раствора и старение, а также повышает высокотемпературную прочность сплава, что делает его очень полезным элементом. Следовательно, определенное количество молибдена добавляется как в сплавы Ni-Cr, так и в сплавы Ni-Cr-Fe.
(10) Влияние кремния:
Содержание кремния в никелевых сплавах поддерживается на низком уровне. Это связано с тем, что кремний легко вызывает горячее растрескивание в никелевых сплавах, причем высоконикелевые сплавы особенно чувствительны к его воздействию. В то же время чрезмерно высокое содержание кремния значительно снижает пластичность и прочность. Чтобы противодействовать склонности кремния к увеличению восприимчивости к горячему растрескиванию, часто добавляют ниобий, чтобы компенсировать его вредное воздействие. При разработке сварочных стержней из никелевого сплава NiCrFe-1 автор контролировал содержание кремния при добавлении ниобия, что существенно повысило стойкость к растрескиванию.
(11) Влияние алюминия:
Алюминий добавляется в никелевые сплавы в качестве раскислителя. Он образует оксиды и способствует старению сплава. Следовательно, алюминий в высоконикелевых сплавах добавляется в первую очередь из-за его свойств старения. При сварке никелевых сплавов алюминий также служит добавкой в сварочном материале, улучшая свойства металла сварного шва, чтобы они соответствовали свойствам основного металла. Однако следует избегать чрезмерного содержания алюминия, так как он ухудшает характеристики металла сварного шва.
(12) Влияние титана:
Титан является незаменимым легирующим элементом в никелевых сплавах. Подобно алюминию, он раскисляет, образуя оксиды, и вызывает стареющее упрочнение, а также уменьшает дефекты, такие как пористость и газовые пустоты в металле сварного шва. Его содержание должно оставаться минимальным, составляя лишь следовые количества.
(13) Влияние редкоземельных элементов:
Редкоземельные сплавы обычно включают добавку оксидов редкоземельных элементов, таких как церий, лантан и кальций, в никелевые сплавы. Они действуют как очистители, оказываясь весьма эффективными при удалении газов, таких как водород, кислород и азот. Они также улучшают распределение оксидов на границах зерен, значительно повышая сопротивление ползучести высоконикелевых сплавов.