CC BY
79
Івченко Т. І. и др. - Дніпропетровськ, 2008. - 295 с. -№ ДР 0106Ш00811, № 7-138-06.
5. Волков А. И. Большой химический справочник / А. И. Волков, И. М. Жарский // Современная школа. - М., 2005. - 608 с.
6. Шаповалова О. М. Высокоэффективные раскислители-модификаторы-микролигатуры / О. М. Шаповалова і і
Строительство, материаловедение. - Д. : Изд-во ПГА-СиА, 2001. - С. 11-17.
7. Шаповалова О. М. Влияние обработки расплавов комплексными модификаторами на неметаллические включения в кремнемарганцовистой стали / О. М. Шаповалова, А. В. Калинин // Нові материіали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2006. - № 2. - С. 38-40.
Одержано 10.05.2012
Полішко С.О. Вплив багатофункціональних розкислювачів-модифікаторів на стабілізацію хімічного складу і підвищення рівня механічних властивостей сталей СТ1КПІ КП-Т
Розглянуто вплив багатофункціональних розкислювачів-модифікаторів на стабілізацію хімічного складу і механічних властивостей сталей Стікп і КП-Т. З метою встановлення умов взаємодії компонентів багатофункціональних модифікаторів з розплавом досліджені термодинамічні характеристики сполук, що утворюються, які можуть формуватися при взаємодії багатокомпонентних розкислювачів-модифікаторів з розплавом.
Ключові слова: багатофункціональні розкислювачі-модифікатори, маловуглецева і колісна сталі, модифікування, хімічний склад, механічні властивості.
Polishko S. Influence of multifunction deoxidizers-modifiers on chemical composition stabilizing and mechanical properties level increase of steels СТ1КП and КП-Т
Influence of multifunction deoxidizers-modifiers on chemical composition stabilizing and mechanical properties of steels СТ1КП and КП-Т was considered. With the purpose of components co-operation terms establishment of multifunction modifiers with fusion thermodynamics descriptions of appearing connections which can be formed at co-operating of multi component deoxidizers-modifiers with fusion were investigational.
Key words: multifunction deoxidizers-modifiers, the low-carbon and wheeled became, retrofitting, chemical composition, mechanical properties.
УДК 621.74.045:669.245.018:620.193.53
Канд. техн. наук С. В. Гайдук1, О. В. Гнатенко2, канд. техн. наук А. Г. Андриенко1,
д-р техн. наук В. В. Наумик1
Национальный технический университет, 2АО «Мотор Сич»; г Запорожье
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ
Изучена кинетика и динамика структурных превращений при высокотемпературной ползучести образцов жаропрочных никелевых сплавов смонокристаллической макроструктурой. Установлено, что при повышении температуры испытаний механизм сопротивления высокотемпературной ползучести изменяется от перерезания и огибания частиц у'-фазы дислокациями на переползание дислокаций.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, структурные превращения, длительная прочность, высокотемпературная ползучесть, структура, у-фаза, морфология, дислокация, коагуляция
До настоящего времени литейные жаропрочные никелевые сплавы интенсивно исследуются во всех мировых научных центрах, занимающихся разработкой новых и модернизацией существующих промыш-
ленных сплавов, способных долговременно и надежно работать в условиях влияния агрессивных коррозийных сред при высоких температурах [1,2].
Структура жаропрочных сплавов представляет со-
© С. В. Гайдук, О. В. Гнатенко, А. Г. Андриенко, В. В. Наумик, 2012
1607-6885 Нові матеріали і технології е металургії та машинобудуванні №2, 2012
37
бой матрицу с гц.к. решёткой, содержащую карбиды и когерентную ингерметаллидную /-фазу Свойства сплавов определяются количеством, формой и распределением фаз, а эти параметры зависят от скорости охлаждения при литье и режимов термической обработки [3].
Жаропрочный сплав должен иметь достаточную стабильность структуры и жаропрочность на протяжении расчетного ресурса работы в условиях действия высоких рабочих температур и напряжений [4].
Перспективным направлением на сегодня, как с технической, так и с экономической точки зрения, является разработка экономнолегированных модификаций на основе дорогих промышленных жаропрочных никелевых сплавов, которые имеют значительно меньшую стоимость и эквивалентный уровень показателей механических свойств.
Разработан экономнолегированный жаропрочный никелевый сплав ЖС32Э-ВИ [5] с пониженным содержанием рения и повышенным содержанием тантала, обладающий прочностными свойствами при комнатных и высоких температурах на уровне сплава ЖС32-ВИ, существенно большей стойкостью против высокотемпературной коррозии, применение которого обеспечивает снижение себестоимости ответственных отливок на 40... 45 %.
Целью данной работы является изучение кинетики и динамики структурных превращений при высокотемпературной ползучести опытных образцов жаропрочных никелевых сплавов с мо но кристаллической макроструктурой.
Химический состав сплава ЖС32-ВИ согласно ОСТ 1.90.126-85 и ЖС32Э-ВИ [5] приведен в таблице 1.
На монокристаллических образцах сплава ЖС32-ВИ и разработанной его экономичной модификации провели исследования динамики структурных превращений в условиях высокотемпературной ползучести с использованием растрового электронного микроско-
па ШОЪ18М-6360ЪА при увеличениях на 1 ООО и на 5000 раз.
Анализ микроструктуры опытных образцов показал, что после 100-часовых испытаний на долговременную прочность при температурах 800, 900 и 1000 °С при напряжениях, соответственно 620, 450 и 250 МПа соответственно, в условиях высокотемпературной ползучести частицы основной укрепляющей у'-фазы коагулируют, сращиваясь в пластины и приобретают вытянутую форму в виде «рафт»-структуры, преимущественно ориентированной перпендикулярно к оси прилагаемой нагрузки.
Установлено, что кинетика и динамика формирования структуры существенно зависит от температуры испытания и величины нагрузки. Основная упрочняющая у'-фаза сплавов - это мелкодисперсные частицы, которые тормозят дислокации и препятствуют развитию высокотемпературной ползучести. При этом частицы у'-фазы преимущественно коагулируют направлено, вытягиваясь в направлении, перпендикулярном к оси растягивающею напряжения. Однако механизм сопротивления сплавов высокотемпературной ползучести при различных температурах испытаний и напряжений не остается постоянным и одинаковым как по кинетике, так и по динамике термодинамических процессов.
Так, после выдержки на протяжении 100 часов монокристаллических образцов сплава ЖС32-ВИ и разработанного сплава ЖС32Э-ВИ в условиях высокотемпературной ползучести при температуре 800 °С и напряжении 620 МПа «рафт»-структура еще не формируется (рис. 1). В основном, в структуре происходит ненаправленная коагуляция более крупных частиц у'-фазы, которые не растворились после второй ступени термообработки (низкотемпературной гомогенизации при 1050 °С).
Таблица 1 - Химический состав исследованных жаропрочных никелевых сплавов
Сплав Массовая доля элементов, %
С Сг Со Мо V/ А1 ЫЬ Та 11е
ЖС32-ВИ 0,12...0,18 4,3...5,6 8,0...10,0 0,8...1,4 7,7...9,3 5,6... 6,3 1,4...1,8 3,5...4,8 3,5... 4,5
ЖС32Э-ВИ 0,04...0,10 4,3...5,6 5,0...6,0 0,4...0,8 6,4...7,0 5,6... 6,3 0,6...1,0 7,7... 8,3 1,7...2,3
Примечание: в сплавах допускается содержание не более (%): 1,0 Ре; 0,025 Се; 0,06 2г; 0,035 В; 0,4 5/; 0,01 0,015 Р;
0,01 У; 0,0012 РЬ; 0,0005 Ві
яшштшщтш»
X 1000
к. т.Лиі . ’к*___г I ’ ЯГ ". 4? ' ►
х 5000
Рис. 1. Типичная структура для сплавов ЖС32-ВИ и ЖС32Э-ВИ, сформировавшаяся в условиях ползучести при 800 °С и
напряжении 620 МПа
Постепенно частицы у'-фазы приобретают неправильную форму, без подавляющей ориентации по отношению к оси прилагаемой нагрузки. Однако наблюдаются незначительные участки сращивания мелкодис-персных частиц у'-фазы, ориентированных перпендикулярно к направлению действующего напряжения (см. рис. 1).
Для этих условий высокотемпературной ползучести подавляющим является механизм перерезания и огибания частиц у'-фазы дислокациями, и скорость ползучести зависит как от размера частиц у'-фазы, так и от расстояния между ними.
В этом случае долговременная прочность обеспечивается преимущественно мелкодисперсными частицами у'-фазы по размеру (0,20... 0,30 мкм), довыдвлившимися из пересыщенного у-твердош раствора после второй ступени термической обработки (низкотемпературной гомогенизации при 1050 °С).
После выдержки образцов обоих исследованных сплавов в условиях высокотемпературной ползучести при температуре 900 °С и напряжении 450 МПа анализ микроструктуры показал, что формирование «рафт»-структуры происходит частично, но в большем объеме, преимущественно в зонах, которые окружают выделение эвтектики у + у'. Это происходит за счет анизотропного сращивания мелкодисперсных у'-фазы перпендикулярно направлению растягивающего напряжения (рис. 2).
При этом также наблюдается ненаправленная коагуляция более крупных частиц у'-фазы, которые не растворились после второй ступени термической обработки (низкотемпературной гомогенизации при 1050 °С). Частицы у'-фазы постепенно приобретают
X 1000
неправильную форму без подавляющего ориентирования по отношению к направлению действующего напряжения (см. рис. 2).
Для этих условий ползучести долговременная прочность для сплавов ЖС32-ВИ и ЖС32Э-ВИ обеспечивается в большей степени оптимальным размером частиц у'-фазы (0,40... 0,60 мкм), сформировавшихся после первой ступени термической обработки (высокотемпературной гомогенизации при 1280 °С и 1270 °С, соответственно).
Анализ микроструктуры после выдержки образцов обоих сплавов в условиях высокотемпературной ползучести при температуре 1000 °С и напряжении 250 МПа показал, что морфология частиц основной укрепляющей у'-фазы полностью изменяется. Вместо кубичес-ки-сферической морфологии они приобретают вытянутую форму в направлении, перпендикулярном к действию растягивающего напряжения. Происходит полное формирование «рафт»-структуры в результате анизотропной (направленной) коагуляции частиц основной укрепляющей у'-фазы, и потеря ими начальной (более правильной) геометрической формы (рис. 3).
Установлено, что «рафт»-структура в монокристал-лических образцах обоих сплавов преимущественно формируется на первой стадии ползучести на протяжении нескольких десятков часов, за счет большей растворимости частиц у'-фазы в у-твердом растворе и значительного ускорения диффузионных процессов. При этом часть оставшейся объемной доли у'-фазы деградирует на второй стадии ползучести. Начиная с середины второй стадии ползучести, деградация частиц у'-фазы в структуре образцов обоих сплавов достигает 60... 80 % (см. рис. 3).
X 5000
Рис. 2. Типичная структура для сплавов ЖС32-ВИ и ЖС32Э-ВИ, сформировавшаяся в условиях ползучести при 900 °С и
напряжении 450 МПа
X 1000
~'4а^йа__~и?
х 5000
Рис. 3. Типичная структура для сплавов ЖС32-ВИ и ЖС32Э-ВИ, сформировавшаяся в условиях ползучести при 1000 °С и
напряжении 250 МПа
ISSN1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №2, 2012
39
Для этих условий ползучести подавляющим является механизм переползания дислокаций, что и определяет скорость ползучести монокристаллических образцов исследованных сплавов.
В этом случае долговременная прочность обеспечивается преимущественно частицами у'-фазы большого размера (0,60... 0,70 мкм), которые формируются после проведения двух ступеней термической обработки (высокотемпературной и низкотемпературной гомогенизации).
Выводы
Изучена кинетика и динамика структурных превращений при высокотемпературной ползучести образцов жаропрочных никелевых сплавов с монокристал-лической макроструктурой. Установлено, что при повышении температуры испытания от 800 до 900 °С и снижении напряжения от 620 до 450 МПа постепенно увеличивается степень ненаправленной коагуляции частиц у'-фазы, а при 1000 °С и 250 МПа частицы у'-фазы приобретают вытянутую форму в направлении, перпендикулярном к действию растягивающего напряжения, формируются «рафт»-структуры. При этом
механизм сопротивления высокотемпературной ползучести образцов жаропрочных сплавов изменяется от перерезания и огибания частиц у'-фазы дислокациями на переползание дислокаций.
Список литературы
1. Бобылёв А. В. Механические и технологические свойства металлов : справочник / А. В. Бобылёв. - М. : Металлургия, 1980. - 296 с.
2. Воздвиженский В. М. Литейные сплавы и технология их плавки в машино строении / В. М. Воздвиженский, В. А. Грачёв, В. В. Спасский. - М. : Машино строение, 1984. - 432 с.
3. Декер Р. Ф. Металловедение сплавов на никелевой основе / Декер Р.Ф., Симе Ч.Т. // Жаропрочные сплавы ; [пер. с ант.]. - М. : Металлургия, 1976. - С. 39-82.
4. Технические требования к перспективным материалам высокотемпературных ГТУ Ч. 1 // Лопатки турбин, камеры сгорания. - Л. : НПО ЦКТИ, 1986. - 28 с.
5. Пат. 48242, Україна, МПК6 С22С19/05. Ливарний жароміцний нікелевий сплав / [А. Д. Коваль, А. Г. Андрі-єнко, С. В. Гайдук та ін.] : заявник і патентовласник Запорізький нац. техн. ун-т ; заявл. 21.09.2009, № и 200909668 ; опубл. 10.03.2010, Бюл. №5.-8 с.
Одержано 24.09.2012
Гайдук С.В., Гиатенко О.В., Аидрієнко А.Г., Наумик В.В. Дослідження структурних перетворень жароміцних нікелевих сплавів в умовах повзучості
Досліджено кінетику та динаміку структурних перетворювань під час високотемпературної повзучості зразків жароміцних нікелевих сплавів з монокристалічною макроструктурою. Встановлено, що при підвищенні температури випробувань механізм опору високотемпературній повзучості змінюється з пере різання та огинання часток у-фази дислокаціями на переповзання дислокацій.
Ключові слова: жароміцний нікелевий сплав, структурні перетворювання, довготривала міцність, високотемпературна повзучість, структура, у-фаза, морфологія, дислокація, коагуляція
GaydukS., Gnatenko О., Andrienko A., NaumikV. Investigation of structural transformations heat-resistant nickelbase superalloys under creep
The kinetics and dynamics of structural transformations in the high-temperature creep of nickelbase superalloys samples with a single-crystal macrostructure was investigated. It was found that with test temperature increasing the resistance of high-temperature creep mechanism changes from cutting and rounding the particles у-phase by the dislocations to the climb of dislocations.
Key words: nickelbase super alloy structural transformation, long-term strength, high temperature creep, structure, y'-phase, morphology, dislocation, coagulation.
