CC BY
58
УДК 669.245.018: 620. 193.53
С. В. Гайдук, В. В. Кононов, Н. Б. Налесный
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕНДРИТНОЙ ЛИКВАЦИИ И ФАЗОВОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В ЖАРОПРОЧНЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВАХ
Аннотация: В работе рассмотрены основные вопросы и приведены сравнительные результаты исследований дендритной ликвации и фазовой неоднородности литейных жаропрочных, коррозионно-стойких никелевых сплавов ЗМИ-ЗУ и его модификации - сплава ЗМИ-ЗУМ. Исследован химический состав фаз и определены коэффициенты ликвации элементов до и после термической обработки.
Введение
Известно, что упрочняющая у^- фаза после литья неоднородна по составу, и чем значительнее ликвационные процессы в пределах дендритной ячейки, тем ярче выражена ее неоднородность. Такой характер распределения связан с ликвацией легирующих элементов, так как в процессе кристаллизации междендритный расплав обогащается у^- образующими элементами с положительной ликвацией [1].
На практике ликвация в сложнолегированных сплавах достаточно полно характеризуется соотношением концентраций элементов в пределах дендритной ячейки [2]. Определение этой характеристики требует точного количественного анализа.
Таким образом, одной из важнейших характеристик литейных никелевых сплавов является степень дендритной ликвации, определяющая эксплуатационные свойства деталей и их работоспособность.
Постановка задачи
Цель настоящей работы - определение степени дендритной ликвации элементов и фазовой неоднородности в литейных жаропрочных, коррозионно-стойких никелевых сплавах ЗМИ-ЗУ, ЗМИ-ЗУМ до и после термической обработки (ТО).
Химический анализ сплавов проводили стандартными методами согласно требований ТУ 14-168973 и ОСТ 1.90127-85. Спектральный анализ проводили на оптическом эммисионном приборе ARL-4460. Химический состав исследованных сплавов приведен в (табл.1).
Исследования проводили на монокристаллических (МК) образцах, полученных на установке для направленной кристаллизации УВНК-8П со скоростью кристаллизации V^ = 10 мм/мин.
Температуру гомогенизации для сплавов назначали индивидуально на основании анализа данных, предварительно полученных методом дифференциального термического анализа (ДТА). Затем для сплавов проводили высокотемпературное старение при 1050 °С. В таблице 2 представлены режимы ТО для исследованных сплавов.
Металлографические исследования структуры проводили на оптическом микроскопе "Olympus IX-70" с цифровой видеокамерой "ExwaveHAD Sony". Микроструктуру выявляли с помощью травления поверхности шлифов реактивом Марбле.
Таблица 1 - Химический состав сплавов
Марка сплава Среднее содержание элементов, % (масс.)
C Cr Al Ti Mo W Co Ta B Y La Ni
ЗМИ-ЗУ 0,12 13,3 3,3 4,8 0,8 7,2 5,0 - 0,015 0,03 0,01 ост
ЗМИ-ЗУМ 0,08 13,0 3,6 4,4 0,7 7,1 5,0 4,1 0,010 0,03 0,01 ост
Таблица 2 - Режимы термической обработки сплавов
Марка сплава Т °С * гом■> ^ Т °С * старения■> ^ Время выдержки, между ступенями, час. Скорость охлаждения, между ступенями, °С/мин
ЗМИ-3У 1180 1050 4 на воздухе
ЗМИ-3УМ 1240 1050 4 на воздухе
© С. В. Гайдук, В. В. Кононов, Н. Б. Налесный 2006 г.
- 150 -
Для идентификации и изучения химического состава фаз использовали метод микрорентгенос-пектрального анализа (МРСА). Исследования проводили на растровом электронном микроскопе JSM-6360LA с системой энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа JED-2300. Ускоряющее напряжение - 10 кэВ,
диаметр электронного зонда 4 нм (40А°).
Анализ результатов экспериментов
В процессе исследований установлено, что в сложнолегированных литейных коррозионно-стойких сплавах ЗМИ-ЗУ и ЗМИ-ЗУМ переменная по составу у^- фаза в пределах одного сплава выделяется в областях различного состава и размеров
- от осей дендритов до межосных пространств.
В литом состоянии структура сплавов гетеро-фазная с выраженной дендритной ликвацией, проявляющейся в неравномерном распределении частиц упрочняющей у^- фазы, а также карбидной и эвтектической фаз. Металлографический анализ показал, что в литом состоянии, выделившиеся частицы у^- фазы заметно отличаются по размеру. В междендритных участках, в основном, расположены крупные выделения первичной у^- фазы эвтектического происхождения и карбиды типа МеС (рис. 1).
Из рисунка 1 видно, что карбидная фаза, в основном, располагается в междендритных участках в форме " скелетообразных" выделений (на основе НС) в сплаве ЗМИ-ЗУ, и карбиды на смешанной основе (Т1,Та)С, в виде отдельных полигональных, прерывистых включений по границам эвтектических выделений в сплаве ЗМИ-ЗУМ.
Ранее проведенные исследования ДТА - кривых [3] показали, что полигональные карбиды в сплаве ЗМИ-ЗУМ образуются вблизи температур ликвидуса, а "скелетообразные" в сплаве ЗМИ-3У
- в результате эвтектической реакции, что хорошо согласуется с данными работ [4, 5].
X 200 х200
а б
Рис. 1. Микроструктура МК образцов исследованных сплавов после литья с выраженной дендритной ликвацией:
а - сплав ЗМИ-ЗУ; б - сплав ЗМИ-ЗУМ
Из рисунка 2 видно, что в литом состоянии в структуре сплавов содержится значительное количество у - у^ эвтектики, растворить которую в процессе ТО полностью не удается [6]. В центре осей дендритов 1-го порядка у^- фаза выделяется в виде отдельных частиц размером « 0,З0 мкм, в междендритной области - в виде субкубов размером « 0,80,9 мкм.
В литом состоянии, отличающемся ранней стадией распада твердого раствора, частицы у^- фазы имеют форму кубиков со средним размером 0,З8-0,42 мкм, что свидетельствует о том, что у^ - фаза в этом состоянии упорядочена и когерентно связана с решеткой матрицы [7].
Количественный анализ, проведенный с помощью микрозонда, позволил установить химический состав фаз (рис. 2), (табл. З, 4, 5, 6). Анализ результатов МРСА показал, что как мелкие, так и крупные участки эвтектических выделений обогащены карбидообразующими элементами А1, Т1, Та, и обеднены W по сравнению с матрицей.
В процессе исследований было установлено, что упрочняющая у^- фаза представляет собой сложное интерметаллидное соединение типа (№)з(А1, Т1) - в сплаве ЗМИ-ЗУ и (Ы1)З(А1, Т1, Та) - в сплаве ЗМИ-ЗУМ. З
Металлографический анализ и микрозондовые исследования показали, что присутствие тантала в составе сплава ЗМИ-ЗУМ не приводит к заметному росту объемной доли эвтектической структурной составляющей. Однако, при этом изменяется морфология эвтектических выделений: от веерообразной в сплаве ЗМИ-ЗУ (рис. 2, а) до ограненной, пластинчатой в сплаве ЗМИ-ЗУМ (рис. 2, в).
Рис. 2. Распределение эвтектической и основной упрочняющей у^- фазы в структуре МК образцов сплавов ЗМИ-ЗУ и
ЗМИ-ЗУМ: а, б - после литья; в, г - после ТО
МРСА было установлено, что в у^- фазу сплава ЗМИ-ЗУ в основном входят никель, кобальт, хром, титан, алюминий, в сплав ЗМИ-ЗУМ дополнительно входит тантал. Следует отметить, что в составе у^- фазы сплава ЗМИ-ЗУМ алюминий, титан и тантал находятся приблизительно в одинаковой концентрации. В сравнении со сплавом ЗМИ-ЗУ, где часть алюминия в у^- фазе замещена титаном, уг1-фаза в сплаве ЗМИ-ЗУМ содержит тантал, который частично замещает алюминий, титан и вольфрам
(табл. З, 4).
Ликвация легирующих элементов при неравновесных условиях кристаллизации оказывает заметное влияние на формирование и состав эвтектики у - у^, выделяющейся в межосных пространствах. В связи с этим сравнивали содержание легирующих элементов, входящих в состав эвтектической (первичной) у^ - фазы и основной упрочняющей (вторичной) у^- фазы до и после ТО (табл. З, 4, 5, 6).
Таблица З - Химический состав вторичной у^ - фазы до термической обработки
Марка сплава Содержание элементов в у' - фазе после литья, (% масс.)
Сг Со W А1 Л Та N1
ЗМИ-ЗУ 2,90 2,50 7,10 7,20 7,40 -- 72,90
ЗМИ-ЗУМ 2,70 3,30 6,90 6,60 6,90 5,70 67,90
Таблица 4- Химический состав эвтектической у^ - фазы до термической обработки
Марка сплава Содержание элементов в у'эвт - фазе после литья, (масс. % )
Сг Со W А1 Т1 Та N1
ЗМИ-ЗУ 2,80 2,30 3,60 6,80 8,90 -- 75,60
ЗМИ-ЗУМ 2,60 2,40 2,70 5,40 8,60 6,90 71,40
Таблица 5 - Химический состав вторичной у^ - фазы после термической обработки
Марка сплава Содержание элементов в у' - фазе после ТО, (% масс.)
Сг Со W А1 Т1 Та N1
ЗМИ-3У 2,80 2,40 6,90 7,10 7,60 -- 73,20
ЗМИ-3УМ 2,70 3,20 6,50 6,20 7,50 5,90 68,00
Таблица 6 - Химический состав эвтектической у^ - фазы после термической обработки
Марка сплава Содержание элементов в у'эвт - фазе после ТО, (масс. % )
Сг Со W А1 Т1 Та N1
ЗМИ-3У 2,70 2,30 3,90 6,90 8,40 -- 75,80
ЗМИ-3УМ 2,60 2,70 3,50 5,70 8,70 6,60 70,20
Расчеты коэффициентов дендритной ликвации (Кл) элементов в сплавах проводили по методике, указанной в работе [1]:
Кл =
См ~Со '
(1)
где См - концентрация элемента в межосном пространстве;
С0 - концентрация элемента в оси дендрита.
В процессе исследований было установлено, что максимальное различие составов фаз наблюдалось по наиболее сильно ликвирующим элементам, причем эвтектическая у^Эвг. - фаза по сравнению с упрочняющей у^- фазой обогащена элементами, коэффициент ликвации которых положителен (А1, И, Та) и обеднена элементами, коэффициент ликвации которых отрицателен (Сг, Со, W). Коэффициенты ликвации легирующих элементов в исследованных сплавах после литья приведены в таблице 7.
Следует отметить, что термическая обработка не устраняет полностью ликвационную неоднородность. Коэффициенты ликвации легирующих элементов в исследованных сплавах после ТО приведены в таблице 8.
Анализ результатов (табл. 7, 8) показал, что направление ликвации А1, Т1 и Та - прямое, а Сг, Со и W - обратное. Дендритная ликвация по А1, Со, Сг в исследованных сплавах незначительна (К = 1,0З -1,4), ликвация W, особенно после литья - достаточно велика (К = 2,55). Ликвация вольфрама в исследованных сплавах развита сильнее, чем остальных элементов, что хорошо согласуется с данными работы [1].
Так, коэффициент ликвации по вольфраму для исследованных сплавов, содержащих ~ 7 % вольфрама в литом состоянии составил в среднем К^ = -(2,0-2,5). Это, вероятно, связано с относительно малой продолжительностью гомогенизации - 2 часа.
На рисунке З показано распределение элементов по сечению дендрита в сплаве ЗМИ-ЗУМ после литья, после гомогенизации и после полной ТО. Видно, что в пределах дендритной ячейки распределение элементов из-за ликвационных процессов неоднородно. Анализ полученных результатов показал, что при гомогенизации и высокотемпературном старении происходит постепенное выравнивание состава между осями дендритов и межосны-ми участками, при этом снижается ликвационная неоднородность.
Из рисунка З видно, что в литом состоянии ме-жосные пространства обогащаются А1, Т1, Та и заметно обедняются М, так как термическая обработка не растворяет эвтектические выделения уг1-фазы и не устраняет полностью ликвационную неоднородность.
Таким образом, результаты исследований, полученные по химическому составу первичной и вторичной у^- фаз сплавов ЗМИ-ЗУ и ЗМИ-ЗУМ, подтверждают основные закономерности дендритной ликвации элементов, установленные ранее в работах [8-10] для сплавов ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12У, ЖС6Ф.
Выводы
1. Направление ликвации А1, Т1 и Та - прямое, а
Таблица 7 - Коэффициенты ликвации элементов после литья
Марка сплава Коэффициенты ликвации элементов после литья
Сг Со W А1 Т1 Та
ЗМИ-3У -1,03 -1,09 -1,97 +1,06 +1,20 --
ЗМИ-3УМ -1,04 -1,37 -2,55 +1,22 +1,25 +1,21
Таблица 8 - Коэффициенты ликвации элементов после ТО
Марка сплава Коэффициенты ликвации элементов после ТО
Сг Со W А1 Т1 Та
ЗМИ-3У -1,04 -1,04 -1,76 +1,03 +1,10 --
ЗМИ-3УМ -1,04 -1,18 -1,86 +1,09 +1,16 +1,12
О 100 200 300 400
Расстояние, мкм
Рис. 3. Распределение элементов по сечению дендрита в сплаве ЗМИ-ЗУМ
Сг, Со, W, - обратное. Дендритная ликвация Со, Сг , А1, И, Та после литья в исследованных сплавах незначительна (К = 1,04-1,25). Коэффициент ликвации по вольфраму для исследованных сплавов в литом состоянии составил в среднем ^ = -(2,02,5). После ТО коэффициент ликвации по вольфраму снижается до Кw = -(1,8-1,9).
2. Гомогенизация и высокотемпературное старение приводят к выравниванию состава между осями дендритов и межосными участками, заметно снижая ликвационную неоднородность элементов. При этом коэффициенты ликвации вольфрама,
титана, тантала уменьшаются.
Список литературы
1. Состав избыточных фаз в литом жаропрочном никельхромовом сплаве. / Баканова Т.П., Косто-ногов В.Г., Файвилевич Г.А., Щербединский Г.В. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1975, № 4. - С. 75-78.
2. Дендритная ликвация в никелевых жаропрочных сплавах / Кулешова Е.А., Черкасова Е.Р, Логунов А.В. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1981, № 6. - С. 20-23.
3. О влиянии тантала на характеристические точки жаропрочных никелевых сплавов. / Беликов С.Б., Гайдук С.В., Кононов В.В. // Вестник двигателестроения. - Запорiжжя: ЗНТУ, 2004, № 3, С. 99-102.
4. Декер Р.Ф., Симс Ч.Т. Металловедение сплавов на никелевой основе. - В кн. Симса Ч.Т., Хагеля В.: Жаропрочные сплавы. М.: Металлургия, 1976. - 568 с.
5. Шарп У.Х. Современное состояние и перспективы развития кобальтовых и никелевых сплавов. - В кн.: Жаропрочные материалы. Пер. с англ. А.С. Соболева и Ф.С Новика. М.: Металлургия, 1969. - 303 с.
6. Монокристаллические никелевые ренийсодер-жащие сплавы для турбинных лопаток ГТД. / Каблов Е.Н., Толораия В.Н., Орехов Н.Г. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2002, № 7. - С. 7-11.
7. Ardel A.J. Diffraction contrast of planar interfaces of large coherent precipitates // Phil. Mag. - 1967. - 139, № 16. - P. 147.
8. Pirarcey B.J., Kear B.H., Smashey P.W. -Transaction of the A. S. M., 1967, v.6, № 5, p.634.
9. Restoll I.E., Tonlson E. C. Metals, 1973, v.7, № 3, p. 134.
10. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления / Б.Е. Патон, Г.Б. Строганов, С.Т. Кишкин, С.З. Бокштейн, А.В. Логунов, И.С. Малашенко, Б.А. Мовчан, В.А. Чумаков. Киев: Наукова думка. 1987. - 256 с.
Поступила в редакцию 20.04.2006 г.
Анота^я: Уробот1 розглянуто головн1 питання i надаються пор1вняльн1 результати досл'джень дендритноïлiквацiï та фазовоïнеоднорiдностi ливарних, жаромiцних корозiй-ностiйких нiкелевих сплавiв ЗМИ-ЗУта його модифiкацiï- ЗМИ-ЗУМ. Дослiджено хiмiчний склад фаз та визначено коефiцieнти лiквацiï елементiв перед та п'1сля термiчноïоброб-ки.
Abstract: Considered and presented are the comparative results of researching dendrythic liquation and phase non-homogeneity in foundry super alloys, corrosion resistant nickel alloys ЗМИ-ЗУ and its modifications of ЗМИ-ЗУМ alloy chemical composition of phases was researched liquation coefficients for the elements before and after thermal treatment were determined.
