CC BY
0
Металлургия и материаловедение
УДК 621.762
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ НИКЕЛЕВОГО ПОРОШКА, ПОЛУЧЕННОГО ЭЛЕКТРОДИСПЕРГИРОВАНИЕМ СПЛАВА
ЖС6У В ВОДЕ* Агеев Евгений Викторович, д.т.н., профессор Кругляков Олег Викторович, к.т.н., доцент Поданов Вадим Олегович, аспирант E-mail: ageev_ev@mail.ru Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
Представлены результаты исследования элементного состава жаропрочного сплава, изготовленного из никелевого порошка, полученного электродиспергированием сплава ЖС6У в воде. Проведенные исследования показали, что искровым плазменным спеканием никелевых порошков, получаемых электроэрозионным диспергированием отходов сплава ЖС6У в воде дистиллированной, имеется возможность получения жаропрочного сплава с равномерным распределением легирующих элементов.
*Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ (НШ-596.2022.4).
Ключевые слова: отходы жаропрочного сплава ЖС6У, электроэрозионное диспергирование, вода, порошок, искровое плазменное спекание, элементный состав.
Сплав марки ЖС6У обладает очень высокой жаропрочностью и широко применяется для изготовления лопаток турбин [1-4].
В настоящее время одной из основных проблем использования сплава ЖС6У связана с наличием в его составе дорогостоящих компонентов, таких как Cr, Co, Ni, Nb, Mo, Ti и W и необходимостью его повторного использования путем измельчения. Одним из эффективных, но недостаточно изученных металлургических способов измельчения металлоотходов является электродиспергирование (ЭД) [5-10].
Для разработки технологических рекомендаций по переработке металлоотходов сплава ЖС6У электродиспергированием в мелкодисперсные частицы с целью их повторного использования требуется проведение металлографических исследований.
Целью настоящей работы являлось проведение исследования элементного состава жаропрочного сплава, изготовленного из никелевого порошка, полученного электродиспергированием сплава ЖС6У в воде.
Поставленная задача решалась таким образом, что упомянутый сплав получаются в результате искрового плазменного спекания никелевых по-
рошков, получаемых электроэрозионным диспергированием отходов сплава ЖС6У в дистиллированной воде.
Процесс электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами.
Регулируя электрические параметры установки для электроэрозионного диспергирования (ЭЭД), можно получать за определенные промежутки времени нужное количество порошка заданных размеров и качества. Получаемые электроэрозионным способом порошковые материалы имеют в основном сферическую форму частиц.
Получение спеченных изделий искровым плазменным спеканием в условиях быстрого нагрева и малой продолжительности рабочего цикла способствует повышению физико-механических свойств по сравнению с промышленными сплавами, из которых были получены исходные частицы порошка, за счет подавления роста зерна и получения равновесного состояния с субмикронным и наномасштабным зерном. Использование метода искрового плазменного спекания для получения жаропрочного никелевого сплава из порошка, полученного электроэрозионным диспергированием сплава ЖС6У, позволит обеспечить высокую работоспособность изделий за счет однородности поверхности, благоприятной структуры и низкой пористости изделия.
Никелевый порошок получали в следующей последовательности.
На первом этапе производили сортировку отходов жаропрочного никелевого сплава, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой - дистиллированной водой, отходы загружали в реактор.
На втором этапе - этапе электроэрозионного диспергирования включали установку. Процесс ЭЭД представлен на рис. 1.
В начале осуществлялась сборка электродов 5 и 6 из диспергируемых отходов сплава 8. Далее в реактор 3 загружались гранулы диспергируемого сплава ЖС6У 8 и заливалась рабочая жидкость - вода 10. На пульте управления генератора импульсов 2 устанавливались требуемые для электродиспергирования металлоотходов параметры: емкость разрядных конденсаторов и частота следования импульсов. Затем при помощи регулятора напряжения 1 устанавливалось такое напряжение, при котором происходил электрический пробой рабочей жидкости 10, находящийся в межэлектродном пространстве. При образовании канала разряда куски твердого сплава в точке разряда плавились и испарялись. Рабочая жидкость 10 в канале электрического разряда также кипела и испарялась, образуя газовый пузырь 9. Капли расплавленного и испаряющегося твердого сплава попадали в жидкую рабочую среду с образованием сферических и эллиптических частиц 7, а также агломератов. Встряхиватель 4 перемещал один из электродов и обеспечивал непрерывное протекание процесса электродиспергирования. На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с нике-
левым порошком из реактора. На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание, фасовка, упаковка.
Затем полученный порошок подвергали искровому плазменному спеканию в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (рис. 2). В качестве температуры компактирования полученных порошков были выбраны значения температуры 1200...1400°С. Образец в виде порошка помещали в графитовую пресс-форму, предварительно футерованную графитовой бумагой, затем пресс-форму устанавливали в установку для искрового плазменного спекания и откачивали вакуум до уровня 2,0*10-3 Торр. Нагревали заготовку до 200°C со скоростью 100°/мин, при 200°C выдерживали образец 2 минуты для дегазации. Затем образец спрессовывали при давлении 30.50 МПа с одновременным нагревом до температуры 1200.1400 °C со скоростью 100°/мин и выдерживали при данной температуре и давлении в течении 5.15 мин. Далее охлаждали до комнатной температуры со скоростью 30°/мин. После полного остывания снимали нагрузку с образца и извлекали его из пресс-формы.
При постановке экспериментов для получения никелевого порошка использовали отходы жаропрочного сплава марки ЖС6У, которые измельчали методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде на экспериментальной установке [11-19].
Рисунок 1 - Процесс ЭЭД отходов сплава ЖС6У
При постановке экспериментов по диспергированию отходов ЖС6У использовали следующие параметры установки: напряжение на электродах 190...210 В; ёмкость конденсаторов 55...60 мкФ; частота следования импульсов 180...200 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение отходов сплава с образованием частиц жаропрочного никелевого порошка [20-27].
Спекание полученного жаропрочного никелевого порошка осуществляли в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США) при температуре Т = 1300 °С, давлении Р = 40 МПа и времени выдержки t = 10 мин.
Полученный жаропрочный сплав исследовали различными методами.
В частности, элементный состав определяли путем проведения рентге-носпектрального микроанализа на энергодисперсионном анализаторе рентгеновского излучения фирмы «EDAX» (Нидерланды), встроенном в растровый электронный микроскоп «QUANTA 200 3D» (Нидерланды).
Юмии
о
Рисунок 2 - Схема процесса спекания электроэрозионного порошка
Ме
2.01» 4.00 6.0П Н.ОО 10.011 12.00
'У II[11 11
Рисунок 3 - Спектрограмма элементного состава спеченного сплава
На основе анализа спектрограмм элементного состава установлено, что сплава состоит из следующих равномерно распределенных по объему элементов: О, N1, Мо, Сг, Т1, Бе, Со, №>, А1 и РЬ.
Проведенные металлографические исследования позволят расширить сферы практического применения жаропрочных порошковых материалов, получаемых из металлоотходов сплава ЖС6У, и сплавов на их основе.
Список литературы
1. Ерёмин Е.Н., Филиппов Ю.О., Давлеткильдеев Н.А., Миннеханов Г.Н. Исследование структуры сплава ЖС6У методом атомно-силовой микроскопии // Омский научный вестник. 2011. № 1 (97). С. 24-29.
2. Еремин Е.Н., Филиппов Ю.О., Маталасова А.Е. Исследование карбидных фаз в сплаве ЖС6У // Омский научный вестник. 2014. № 3 (133). С. 59-63.
3. Ерёмин Е.Н., Филиппов Ю.О., Миннеханов Г.Н., Лопаев Б.Е. Исследование фазовых превращений в сплаве ЖС6У методами термического анализа // Омский научный вестник. 2013. № 1 (117). С. 63-68.
4. Новикова О.В., Кочетков В.А., Виноградов А.И., Жуков А.А., Тихонов А.А., Ма-ринин С.Ф. Применение газоизостатического прессования для повышения эксплуатационной надежности лопаток турбины из жаропрочного сплава типа ЖС6У // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 8. С. 54-56.
5. Получение и исследование порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов электроэрозионным диспергированием / Агеев Е.В., Латыпов Р. А., Агеева Е.В., Давыдов А. А. // Курск, 2013. 200 с.
6. Определение основных закономерностей процесса получения порошков методом электроэрозионного диспергирования / Агеев Е.В., Агеева Е.В., Чернов А.С., Маслов Г.С., Паршина Е.И. // Известия Юго-Западного государственного университета. 2013. № 1 (46). С. 085-090.
7. Изучение формы и элементного состава порошка, полученного из вольфрамсо-держащих отходов инструментальных материалов электроэрозионным диспергирова-
нием в водной среде / Агеева Е.В., Агеев Е.В., Карпенко В.Ю. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 4 (112). С. 14-17.
8. Исследование алюминиевого порошка, полученного методом электроэрозионного диспергирования в дистиллированной воде / Латыпов Р. А., Агеев Е.В., Агеева Е.В., Новиков Е.П. / Все материалы. Энциклопедический справочник. 2016. № 4. С. 19-22.
9. Морфология и элементный состав медных электроэрозионных порошков, пригодных к спеканию / Агеева Е.В., Хорьякова Н.М., Агеев Е.В. // Вестник машиностроения.
2014. № 10. С. 66-68.
10. Исследование влияния электрических параметров установки на процесс порош-кообразования при электроэрозионном диспергировании отходов твердого сплава / Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Латыпов Р.А. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Т. 11. № 5-2. С. 238-240.
11. Исследование микротвердости синтезированной порошковой быстрорежущей стали из электроэрозионных порошков, полученных в водной среде | Агеева Е.В., Алтухов А.Ю., Пикалов С.В. / Современные материалы, техника и технологии.
2015. № 1 (1). С. 13-16.
12. Структура и свойства спеченных образцов из электроэрозионных хромсодержа-щих порошков, полученных в бутиловом спирте / Агеева Е.В., Хардиков С.В., Агеева А.Е. // Современные материалы, техника и технологии. 2021. № 6 (39). С. 4-11.
13. Анализ характеристик износостойкости спеченных изделий из электроэрозионного порошка стали Х13, полученного в бутиловом спирте / Хардиков С.В., Агеева Е.В., Агеева А.Е. // Современные материалы, техника и технологии. 2021. № 6 (39). С. 58-64.
14. Физико-механический подход к анализу процессов вытяжки с утонением цилиндрических изделий с прогнозированием деформационной повреждаемости материала / Журавлев Г.М., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Сергеев А.Н., Агеева Е.В., Малий Д.В. // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 4 (67). С. 39-56.
15. Elemental composition of the powder particles produced by electric discharge dispersion of the wastes of a VK8 hard alloy / Latypov R.A., Latypova G.R., Ageev E.V., Altukhov A.Y., Ageeva E.V. // Russian Metallurgy (Metally). 2017. Т. 2017. № 12. С. 1083-1085.
16. Оценка износостойкости электроискровых покрытий, полученных с использованием электроэрозионных порошков быстрорежущей стали / Агеева Е.В., Латыпов Р. А., Агеев Е.В., Алтухов А.Ю., Карпенко В.Ю. // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2015. № 1. С. 71-76.
17. Сравнительный рентгеноспектральный микроанализ медного порошка, полученного электроэрозионным диспергированием, и медного порошка ПМС-1 / Латыпов Р.А., Агеев Е.В., Агеева Е.В., Хорьякова Н.М. // Электрометаллургия. 2017. № 4. С. 3639.
18. X-ray analisis of the powder of micro- and nanometer fractions, obtained from wastes of alloy T15K6 in aqueous medium / Ageeva E.V., Ageev E.V., Pikalov S.V., Vorobiev E.A., Novikov A.N. // Журнал нано- и электронной физики. 2015. Т. 7. № 4. С. 04058.
19. Исследование гранулометрического состава электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Сборник научных трудов XVII Международной научно-практической конференции. Редколлегия: Разумов М.С. (отв. ред.). Курск, 2022. С. 320-324.
20. Форма и морфология частиц электрокорунда, полученного электродиспергированием отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // В сборнике: Электроэнергетика сегодня и завтра. сборник научных статей Международной научно-технической конференции. Курская государственная сельскохозяйственная академия имени ИИ. Иванова. Курск, 2022. С. 127-131.
21. Исследование фазового состава порошка электрокорунда, полученного электродиспергирование отходов сплава АД0Е / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // В сборнике: Современные инновации в науке и технике. Сборник научных статей 12-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Отв. редактор М.С. Разумов. Курск, 2022. С. 186-190.
22. Электроэрозионные порошки микро- и нанометрических фракций для производства твердых сплавов / Латыпов Р.А., Агеева Е.В., Кругляков О.В., Латыпова Г.Р. // Электрометаллургия. 2016. № 1. С. 16-20.
23. Исследование элементного состава частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в воде / Бобков Е.А., Агеева А.Е., Агеева Е.В. // В сборнике: Наука молодых - будущее России. сборник научных статей 6-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых. Курск, 2021. С. 13-16.
24. Структура и свойства порошков, полученных в условиях электроэрозионной металлургии отходов твердого сплава Т5К10 в кислород-и углеродсодержащих средах / Агеев Е.В., Агеева А.Е. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 9 (213). С. 387-392.
25. Composition, structure and properties of hard-alloy powders obtained by electrodispersion of T5K10 alloy in water / Ageev E.V., Ageeva A.E. // Metallurgist. 2022.
26. Свойства порошков корунда, полученных электродиспергированием металлоот-ходов / Новиков Е.П., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2022. № 7 (266). С. 90-94.
27. Математический размерный анализ порошков, полученных электроэрозионным диспергированием жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в воде / Агеев Е.В., Гвоздев А.Е., Протопопов Е.А., Поданов В.О., Агеева А.Е. // Чебышевский сборник. 2022. Т. 23. № 1 (82). С. 197-208.
Ageev Evgeny Viktorovich, Doctor of Technical Sciences, Professor
Kruglyakov Oleg Viktorovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Podanov Vadim Olegovich, PhD student
E-mail: ageev_ev@mail.ru
Southwest State University, Kursk, Russia
THE ELEMENTAL COMPOSITION OF A HEAT-RESISTANT ALLOY MADE OF NICKEL POWDER OBTAINED BY ELECTRODISPERSING THE ALLOY ZHS6U IN WATER*
The results of the study of the elemental composition of a heat-resistant alloy made of nickel
powder obtained by electrodispersing the alloy ZhS6U in water are presented. The conducted
studies have shown that by spark plasma sintering of nickel powders obtained by
electroerosive dispersion of waste of the ZhS6U alloy in distilled water, it is possible to obtain
a heat-resistant alloy with a uniform distribution of alloying elements.
*The work was supported by a grant from the President of the Russian Federation (NSH-
596.2022.4).
Key words: waste of heat-resistant alloy ZhS6U, electroerosive dispersion, water, powder, spark plasma sintering, elemental composition.
