CC BY
163
УДК 669.046.516 Е. Н. ЕРЕМИН
Ю. О. ФИЛИППОВ Г. Н. МИННЕХАНОВ В. Ф. МУХИН
Омский государственный технический университет ООО «НПФ «ЛиКОМ»
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В МОДИФИЦИРОВАННОМ ЖАРОПРОЧНОМ НИКЕЛЕВОМ СПЛАВЕ
Рассмотрено влияние наночастиц карбонитрида титана на структуру и свойства жаропрочного сплава. Показано, что при модифицировании устраняются зоны транскристаллизации в литом металле, резко уменьшаются размеры дендри-тов, улучшается морфология и топография упрочняющих фаз, что обуславливает повышенную жаропрочность металла и повышает структурную стабильность и длительную прочность сплава.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, модифицирование, наночастицы, дендритная структура, механические свойства, длительная прочность.
Развитие авиационного двигателестроения определяет непрерывное повышение требований к жаропрочным сплавам, используемым для изготовления деталей ответственного назначения. Для улучшения их эксплуатационных характеристик применяют модифицирование литого металла дисперсными тугоплавкими частицами [1—5]. Однако, несмотря на очевидную перспективность литых модифицированных сплавов, изучению влияния инокулирующего модифицирования на процессы, определяющие жаропрочность сложнолегированных никелевых сплавов, уделяется недостаточное внимание.
Большое влияние на термическую стабильность литого металла заготовок из жаропрочных сплавов оказывают дендритная структура и ликвация легирующих элементов. Никелевые жаропрочные сплавы имеют специфическую структуру, сложный химический и фазовый состав. Формирование структуры при кристаллизации начинается с образования дендритной ветви, которая берет начало от зародыша или затравки и по мере кристаллизации своими многочисленными ветвлениями прорастает на весь объем расплава. При встрече с препятствием отдельно взятый дендрит расщепляется [6]. Таким препятствием может служить твердое включение, а также область повышенной концентрации, искусственно созданной в расплаве. При модифицировании ввод в расплав дисперсной твердой фазы искажает локальное температурное и концентрационное поле [7], что обусловливает нарушение столбчатой структуры. Если плотность дисперсной фазы велика, то вместо дендритной структуры формируется почти изотропная поликристаллическая структура, составленная из фрагментов раздробленных дендритов. Таким образом, ввод дисперсной фазы, обусловливающий создание в расплаве включений с концентрацией и температурой, отличными от основного расплава не дает возможности формирования столбчатой структуры.
При этом изменение градиента температур и скорости перемещения фронта кристаллизации существенным образом влияет не только на дендритную структуру, но и на морфологию и топографию составляющих и фазовый состав жаропрочных сплавов.
В качестве объекта для изучения вышеописанных процессов был выбран хромоникелевый сплав Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б. Отливки получали в вакуумной индукционной установке У-177-7М. Для модифицирования использовали порошки карбонитрида титана и титана с никелем [8]. Использовали порошки плазмохимического синтеза дисперсностью около 100 нм. Помол порошков производили на вибромельнице АГО-3 [9]. Введение частиц в жидкий металл осуществляли с помощью брикетов в виде таблеток. Модификаторы готовили путем смешивания порошков с последующим прессованием смеси в таблетки и спеканием их в вакууме. Таблетки вводили в расплав за 1—2 минуты до окончания процесса плавки. Размеры таблеток были выбраны из условия достаточно быстрого растворения их в модифицирующем расплаве (30 — 60 с).
Сплав Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б относится к группе литейных сложнолегированных многокомпонентных жаропрочных сплавов. Основной упрочняющей фазой является у'-фаза, представляющая собой инте-рметаллид (N1, Со)3(Л1, Т1). Поэтому, факторами, определяющими качество и служебные свойства жаропрочных сплавов, являются состояние границ зерен, их величина, фазовый состав, степень однородности и морфология и топография упрочняющих фаз [10].
Результаты исследования немодифицированного литого сплава показали, что макроструктура у него транскристаллическая, состоящая из крупных столбчатых кристаллов по периферии, в которых выявляется ликвационная химическая неоднородность и наличие пор (рис. 1а).
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
Микроструктура литого немодифицированного металла состоит из дендритов, карбидов, интерметал-лидов, частиц g'-фазы и эвтектических фаз, располагающихся в межосных пространствах и вблизи границ зерен. Включения карбидов в виде каркасов сплошной скелетообразной формы, называемых «китайским шрифтом», располагаются преимущественно по границам зерен и имеют очень большую протяженность (рис. 1, б). Карбиды подобной морфологии оказывают отрицательное влияние на свойства никелевых сплавов [7].
Введение в сплав 0,5 % модификатора приводит к существенному изменению как получаемой структуры, так и морфологии и топографии карбидной фазы (рис. 2).
При этом происходит резкое измельчение макрозерна, устраняется столбчатость зерен и разнозерни-стость. Дендритная структура литого металла тонкая и однородная по сечению слитка. Протяженность межосных участков существенно сократилась, а эвте-кической фазы становится значительно меньше.
Карбиды приобретают компактную равноосную форму и равномерно распределены по объему зерна. Характер расположения карбидов в матрице сплавов, показаный на рис. 3, получен на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50.
Видно, что в немодифицированном сплаве карбиды протяженной формы достигают размеров в 50 мкм. В модифицированном сплаве карбиды компактной формы имеют размер 4 — 8 мкм. Для установления
химического состава карбидов проведены исследования на микроанализаторе EDS X-Act (Oxford Instruments) (рис. 4).
Данные спектров показывают, что в немодифици-рованном сплаве карбид содержит значительно большее количество углерода, что может свидетельствовать о более хрупкой карбидной фазе, и меньшее количество основных легирующих элементов, таких как титан, хром, ниобий и вольфрам, чем в модифицированном сплаве (табл. 1). Большее содержание никеля в карбиде модифицированного сплава может быть вызвано разложением игольчатого электронного луча (зонда) диаметром около 1 мкм в карбиде малого размера и рассеивание его с возбуждением первичного рентгеновского излучения, захватывая матрицу сплава.
Образование большого количества компактных карбидов можно объяснить увеличением степени переохлаждения расплава при введении в него модификатора, высокодисперсные частицы которого являясь центрами кристаллизации, повышают скорость охлаждения металла. Такая морфология и топография карбидной фазы измельчают структуру и повышают химическую стабильность g-матрицы, что должно оказывать благоприятное воздействие на длительную прочность сплава.
На свойства никелевых сплавов большое влияние оказывает дисперсионное упрочнение матрицы за счет выделения g'-фазы кубической морфологии. Жаропрочность сплавов, упрочненных когерентными
а) б)
Рис. 3. Структура карбидов сплава: а - немодифицированного (Х4500); б - модифицированного (Х2000)
Рис. 4. Микроанализ карбидов немодифицированного (а) и модифицированного (б) сплавов
Таблица 1
Химический состав карбидов
Элемент Немодифицированный сплав Модифицированный сплав
весовой % атомный % весовой % атомный %
С 28,22 72,94 10,10 42,22
Ті 20,48 13,28 23,29 24,41
Сг 0,92 0,55 1,97 1,91
№ 2,74 1,45 11,27 9,64
17,55 5,84 19,38 10,48
29,05 4,95 31,43 8,59
с матрицей выделениями упорядоченной у'-фазы, зависит от состояния этой фазы, кинетики изменения структуры и в значительной степени определяется термодинамической устойчивостью системы (у + у') [11]. В связи с этим провели электронномикроскопические исследования на фольгах с использованием микроскопа ЭМВ-100Л. Идентификация фазового состава, определение размеров и объемной доли выделений проводились по микродифракцион-ным картинам.
Исследования показали, что наблюдается сильная неоднородность дисперсности и морфологии частиц вторичной у'-фазы, в масштабах дендритной ячейки литого немодифицированного сплава ЖС6У. В осях
дендритов выделяются мелкие и регулярные по форме выделения у'-фазы, частично треугольной формы, а в межосных пространствах — значительно более грубые частицы неправильной морфологии (рис. 5а). Наряду с мелкими частицами (0,8 мкм) у'-фазы наблюдаются крупные, скоагулированные выделения (свыше 4 мкм) по границам которых возникают и распространяются микротрещины. Вблизи карбидов заметна значительная коагуляция частиц у'-фазы, имеющей округлую форму и хаотичное расположение в матрице. Такая структура металла обуславливает растворение у'-фазы в у-твердом растворе при высоких температурах, что приводит к разупрочнению сплава и понижению его жаропрочности.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
а) б) в)
Рис. 5. Упрочняющая у'-фаза в сплавах: а - немодифицированном (х 18000) б, в - модифицированном (б - Х18000, в - Х7000)
Количество и морфология у'-фазы в модифицированном сплаве значительно отличаются от таковых в немодифицированном. Модифицирование формирует более дискретные мелкодисперсные выделения у'-фазы большей частью квадратной либо прямоугольной формы (рис. 5б). При введении 0,01 % карбо-нитрида титана размер выделений у-фазы составляет 0,8 — 1,2 мкм, при 0,03 % тугоплавких частиц — 0,4 — — 0,6 мкм. При дальнейшем увеличении концентрации тугоплавких частиц у'-фаза достигает размеров в 0,2 — 0,3 мкм с большой плотностью упаковки в матрице. Выделения у'-фазы выравниваются по размерам, их форма после длительных испытаний не изменяется и располагаются они вдоль кристаллографических плоскостей (рис. 5 в) с очень малым расстоянием между ними.
Для повышения длительной прочности сплавов необходимо иметь на границах зерен термодинамически стабильное фазовое состояние, что и достигается введением тугоплавких дисперсных частиц кар-бонитрида титана. В этом случае прочность определяется главным образом размером и распределением у'-фазы. Это и подтверждают экспериментальные результаты, показавшие незначительное возрастание величины у'-фазы в зависимости от времени выдержки при температуре испытания 950 °С. Очевидно, ускоренный процесс растворения и коагуляции у'-фазы в немодифицированном сплаве и приводит к снижению его прочностных свойств.
Ввод в расплав сплава частиц карбонитрида титана приводит к образованию малоугловых разори-ентировок между кристаллитами. Мелкие частицы у'-фазы когерентны с матрицей и имеют кубоидную форму, что свидетельствует о резком торможении частицами рекристаллизационных процессов. Уменьше-
ние угла разориентировки при вводе частиц приводит соответственно к уменьшению скорости диффузионных процессов [12], что в свою очередь оказывает существенное влияние на процесс формирования границ элементов структуры и субструктуры. Трансформация высокоугловых границ в малоугловые в результате модифицирования приводит к ощутимой утрате ими активности не только как мест образования центров рекристаллизации, но и как потенциальных мест образования карбидов. Прямым следствием торможения рекристаллизации в модифицированном сплаве является уменьшение среднего размера зерна.
Просмотр макрошлифов образцов после испытаний при 975 °С и напряжении 230 МПа подтвердил эти выводы и показал, что разрушение всех образцов имеет межзеренный характер (рис. 6). В образцах из немодифицированного сплава разрушение происходит в зоне направленной кристаллизации по границам дендритов (рис. 6а). Длительная прочность таких образцов не превышает 30 ч. В модифицированных образцах, показавших наибольшую жаропрочность (около 100 ч.), структура была очень дисперсна (рис. 6б).
Отмечается также резкое сокращение размеров эвтектической фазы в модифицированном сплаве, химический состав которой характеризуется значительно меньшим количеством основных легирующих элементов (рис. 7).
В немодифицированном сплаве выделяется большое количество эвтектики (у — у'), обогащенной вольфрамом, которая располагается в межосных пространствах. Известно, что граница «эвтектика (у —у') — матрица» обладает повышенной диффузионной проницаемостью по сравнению с самой матрицей сплава [12]. При большом количестве эвтектики значительная
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Полная шкала 231 имп. Курсор: 0.000______________________________________________________________________________кэВ
а)
б)
Рис. 7. Микроанализ эвтектической фазы немодифицированного (а) и модифицированного (б) сплавов
Таблица 2
Химический состав эвтектической фазы
Элемент Немодифицированный сплав Модифицированный сплав
весовой % атомный % весовой % атомный %
С 6,51 23,80 7,05 25,64
А1 6,50 10,57 6,66 10,79
Ті 4,05 3,71 5,07 4,62
Сг 7,01 5,92 4,32 3,63
Со 8,05 6,00 7,39 5,48
№ 61,02 45,65 65,74 48,93
5,78 1,38 3,76 0,89
часть межосных пространств занята фазой с повышенной диффузионной проницаемостью, вследствие чего длина свободного пробега дислокаций уменьшается. Поэтому выделяющиеся в межосном пространстве фазы, обогащенные вольфрамом, обедняют их состав, что снижает жаропрочность сплава. Кроме того, вследствие значительной ликвации элементов и скопления их в эвтектике (табл. 2), обедняется твердый раствор и уменьшается количество у'-фазы, что также оказывает существенное влияние на понижение параметров жаропрочности.
После модифицирования элементы, имеющие высокую склонность к ликвации перераспределяются более равномерно, обеспечивая заметное выравнивание состава между осями дендритов и межосными участками. При этом наблюдается тенденция к формированию более однородной структуры по сравнению с немодифицированным сплавом.
Вероятно, усилением ликвационной неоднородности в немодифицированном сплаве можно объяснить более сильную зависимость размера частиц вторичной у'-фазы в осях дендритов от скорости охлаждения. Поскольку оси дендритов в большей степени обогащаются вольфрамом, который тормозит распад твердого раствора и замедляет диффузию, то это обстоятельство способствует выделению частиц у'-фазы меньшего размера. Количество вторичной у'-фазы в осях также меньше в связи с ликвацией основных у'-образующих элементов в междендритные пространства.
Таким образом, структура модифицированного сплава состоит из двух когерентно связанных фаз: у-твердого раствора и дисперсной у'-фазы кубической формы, однородных по составу, размеру и морфологии как в осях так и в межосных пространствах. Упрочняющая у'-фаза в модифицированных сплавах
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
имеет более высокие термическую стабильность и температуру полного растворения, чем в сплавах традиционного легирования. При равных температурах количество упрочняющей фазы в модифицированных сплавах больше. Параметры образований у'-фазы и их объемная доля в модифицированном сплаве определяют повышенные прочностные характеристики и сопротивление ползучести объема зерен. Одновременно с увеличением дисперсности дендритной структуры и стабилизацией упрочняющей у'-фазы улучшается морфология и топография карбидных фаз. При этом модифицирование активизирует диффузионные процессы в расплаве и тем самым способствует более полному устранению ликвации. Так как диффузия является основой развития процессов на границах и в объеме зерна при повышенных температурах, то можно сказать, что термическая стабильность жаропрочных никелевых сплавов с модифицированной структурой будет возрастать. Как показали исследования, такие изменения структуры литого модифицированного сплава Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б приводят к увеличению времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность в 2,6 — 3,4 раза, что может существенно повысить долговечность лопаток газотурбинных двигателей.
Библиографический список
1. Плазмохимический синтез нанопорошков тугоплавких соединений и их применение для модифицирования конструкционных сталей и сплавов [Текст] / М. Р. Предтеченский [и др.] // Литейщик России. — 2010. — № 3. — С. 28 — 29.
2. Седельников, В. В. Структура образования кристаллизующихся систем при модифицировании их ультрадисперсными порошками [Текст] / В. В. Седельников // Литейное производство. - 2005. - № 1. - С. 2-5.
3. Ультрадисперсные модификаторы для повышения качества отливок [Текст] / В. Е. Хрычиков [и др.] // Литейное производство. - 2007. - № 7. - С. 2-5.
4. Сабуров, В. П. Упрочняющее модифицирование стали и сплавов [Текст] / В. П. Сабуров // Литейное производство. -1998. - № 9. - С. 7-8.
5. Фаткулин, О. Х. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов дисперсными частицами тугоплавких соединений [Текст] / О. Х. Фаткулин, А. А. Офицеров // Литейное производство. - 1993. - № 4. - С. 13-14.
6. Фёдоров, О. П. О механизме преобразования ветвей дендритов двухкомпонентного сплава [Текст] / О. П. Фёдоров, Д. Е. Овсиенко, Н. Б. Кривошей // Металлофизика. — 1987. - Т. 9. - № 2. - С. 68-75.
7. Кириевский, Б. А. Влияние концентрационных и температурных неоднородностей в расплаве на изменение литой структуры [Текст] / Б. А. Кириевский, Г. И. Герштейн, О. П. Фёдоров // Литейное производство. - 1989. - № 3. - С. 3-4.
8. Исследование свойств порошка карбонитрида титана, полученного плазмохимическим синтезом [Текст] / Е. Н. Ерёмин [и др.] // Омский научный вестник. - 2010. - № 1 (85). -С. 61-64.
9. Аввакумов, Е. Г. Механические методы активации химических процессов [Текст] / Е. Г. Авакумов. - Новосибирск : Наука, 1986. - 304 с.
10. Прогнозирование влияния структурных факторов на механические свойства жаропрочных сплавов [Текст] / А. В. Логунов [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1981. - № 6. - С. 16-20.
11. Горностырёв, Ю. Н. Роль внутренних напряжений в эволюции морфологии частиц у'-фазы в никелевых сплавах при высокотемпературной ползучести [Текст] / Ю. Н. Горностырёв, Н. Д. Бахтеева // Физика металлов и металловедение. - 1993. -Т. 76. - Вып. 6. - С. 940-948.
12. Бокштейн, С. 3. Диффузионные параметры границ зерен у/у' в сплаве на никелевой основе [Текст] / С. 3. Бокштейн // ДАН СССР, 1980. - Т. 253. - № 6. - С. 1337.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор Машиностроительного института, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства» ОмГТУ.
ФИЛИППОВ Юрий Олегович, инженер кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ОмГТУ.
МИННЕХАНОВ Гизар Нигъматьянович, заместитель директора общества с ограниченной ответственностью «Научно-производственная фирма «ЛиКОМ».
МУХИН Василий Фёдорович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ОмГТУ.
Адрес для переписки: е-mail: weld_techn@mail.ru
Статья поступила в редакцию 12.07.2011 г.
© Е. Н. Ерёмин, Ю. О. Филиппов, Г. Н. Миннеханов, В. Ф. Мухин
Книжная полка
Козырев, Ю. Г. Захватные устройства и инструменты промышленных роботов : учеб пособие для вузов / Ю. Г. Козырев. - М. : КноРус, 2011. - 312 с. - Гриф УМО вузов России. - 18БЫ 978-5-406-00763-1.
Описаны конструкции и даны рекомендации по применению захватных устройств, различающихся по принципу действия и предназначенных для комплектования промышленных роботов и манипуляторов с ручным управлением. Приведена классификация захватных устройств. Обобщен опыт проектирования, представлены конкретные примеры конструкций захватных устройств и кинематических схем. Разработана обобщенная методика проектирования и расчета захватных устройств. Приведены примеры конструкций и применения технологических головок промышленных роботов - устройств и инструментов, обеспечивающих выполнение роботами основных технологических операций: сборки, зачистки, сварки, окраски и т.п. Для студентов высших учебных заведений и техникумов, а также будет полезно инженерно-техническим работникам машиностроительных предприятий и сотрудникам проектно-технологических институтов, работающих над созданием промышленных роботов и манипуляторов, внедрением их в производство и эксплуатацией.
