Сера имеет чрезвычайно низкую растворимость в никелевой матрице и имеет тенденцию вступать в реакцию с легирующими элементами (такими как Ni, Fe, Cr) с образованиемсульфиды с низкой-точкой плавления-(например, Ni₃S₂, CrS, FeS). Температура плавления этих сульфидов обычно составляет 600–900 градусов, что намного ниже температуры горячей обработки сплавов на основе никеля (1000–1200 градусов).
Во время горячей обработки (например, ковки, прокатки, экструзии) эти сульфиды сначала плавятся, образуя жидкую пленку по границам зерен. Эта пленка ослабляет силу связи между зернами, что приводит кмежкристаллитное растрескиваниекогда сплав подвергается внешнему напряжению. Это явление называетсягорячая хрупкость, что серьезно снижает пластичность сплава при горячей обработке и вызывает дефекты обработки, такие как трещины и сколы.
Когда содержание серы превышает предел, мелкие частицы сульфида будут осаждаться вдоль границ зерен или внутри матрицы. Эти частицы действуют как источники концентрации напряжений. Когда сплав подвергается удару или низко-температурной нагрузке, микротрещины склонны зарождаться и распространяться вокруг частиц сульфида, что приводит к резкому падению прочности сплава.Ударная вязкость по Шарпиивязкость разрушения.
Для сплавов на основе никеля-, используемых при низких-температурах или криогенных средах (например, в оборудовании, работающем с сжиженным природным газом), увеличение содержания серы значительно увеличивает риск хрупкого разрушения.
Сульфиды электрохимически гетерогенны с никелевой матрицей. В агрессивных средах (таких как хлорид-содержащие растворы, кислые среды) между сульфидными частицами и матрицей образуется гальванический элемент. Сульфиды действуют как анод и преимущественно корродируют, что приводит к образованию питтинговой коррозии.
Кроме того, осаждение сульфидов на границах зерен разрушает непрерывность пассивной пленки (Cr₂O₃) на поверхности сплава, снижая устойчивость сплава к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC). Этот эффект особенно очевиден в средах с высокой-температурой и высоким-давлением воды (например, в системах теплоносителя ядерных реакторов).
Фосфор является типичнымэлемент зернограничной сегрегации. Даже на следовых уровнях он имеет тенденцию сегрегировать на границах зерен сплавов на основе никеля во время затвердевания или термообработки, а не растворяться равномерно в матрице.
Сегрегация фосфора на границах зерен снижает сцепление атомов границ зерен, в результате чего границы зерен становятся слабым звеном сплава. При комнатной температуре или низких температурах, когда сплав подвергается растягивающему или изгибающему напряжению, трещины склонны зарождаться и распространяться вдоль границ зерен, разделенных фосфором-, что приводит кмежкристаллитное хрупкое разрушение. Это явление называетсяхладноломкость, что приводит к значительному уменьшению удлинения сплава и уменьшению его площади.
В процессе сварки сплавов на-основе никеля фосфор будет сегрегировать на границах зерен металла сварного шва и в зоне термического-влияния (ЗТВ) из-за быстрого охлаждения. Выделенный фосфор снижает прочность границ зерен сварного соединения и повышает чувствительность ктрещины затвердевания сварного шваиликвационные трещины.
Для сварных швов сплавов на основе никеля-, используемых в критически важном оборудовании (например, химических реакторах, ядерных парогенераторах), трещины в сварных швах, вызванные-фосфором, могут серьезно сократить срок службы и безопасность оборудования, что даже может привести к катастрофическим авариям.
Для сплавов на основе никеля-, применяемых в условиях высоких-температур (например, лопатки турбин авиационных-двигателей, компоненты промышленных печей), сегрегация фосфора на границах зерен ускоряетзернограничное скольжениепри длительном-высоком-температурном стрессе. Это ускоряет деформацию ползучести сплава и сокращает срок службы при ползучести.
Кроме того, фосфор может способствовать росту зернограничных карбидов, разрушая эффект закрепления карбидов на границах зерен и еще больше снижая высоко-структурную стабильность сплава.
В промышленном производстве содержание серы и фосфора в сплавах на основе никеля- строго контролируется в зависимости от сценариев применения:
Для обычных коррозионностойких-сплавов на основе никеля- (например, Hastelloy C276, Inconel 625) содержание S и P обычно ограничиваетсяМеньше или равно 0,01%.
Для высокоэффективных -сплавов на основе никеля-, используемых в аэрокосмической, ядерной энергетике и других областях (например, Inconel 718, Waspaloy), содержание S и P должно бытьМеньше или равно 0,005%для обеспечения экстремальных механических свойств и безопасности эксплуатации.
Строгий контроль содержания примесей серы и фосфора является ключевым звеном в выплавке и обработке сплавов на основе никеля-, от которого напрямую зависит, сможет ли сплав соответствовать эксплуатационным требованиям критически важных инженерных приложений.
