CC BY
39
УДК 621.762:669.24
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-4-79-93
МОРФОЛОГИЯ И РАЗМЕРЫ ГРАНУЛ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ РАСПЫЛЕНИЕМ РАСПЛАВА И СПОСОБОМ PREP
Ефим Яковлевич Капуткин, канд. техн. наук, Леонид Борисович Бер, докт. техн. наук, Алексей Михайлович Казберович, канд. техн. наук, Татьяна Алексеевна Мухина
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. Представлены результаты исследования морфологии и размеров гранул из жаропрочных никелевых сплавов, полученных методами распыления расплава (газовой атомизацией или центробежным распылением вращающегося расплава) либо способом оплавления торца вращающейся заготовки (PREP). Количество сферических гранул в случае распыления расплава составляет 76-90 %, а в случае PREP 96-97 %. Рассмотрены механизмы образования гранул с несферической поверхностью. В сечении гранул, полученных методами распыления расплава, обнаружена внутригранульная и дендритная пористость. Гранулы, полученные способом PREP, практически не содержат этих дефектов.
Ключевые слова: морфологии и размеры гранул, жаропрочные никелевые сплавы, газовая атомизация, PREP
Morphology and Sizes of Powders of Heat Resistant Ni-based Alloys Produced by Melt Spraying and PREP. Cand. of Sci. (Eng.) Efim Ya. Kaputkin, Dr. of Sci. (Eng.) Leonid B. Ber, Cand. of Sci. (Eng.) Aleksey M. Kazberovich, Tatyana A. Mukhina.
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. The paper presents the results of studying the morphology and sizes of Ni-based alloy powders produced by melt spraying (gas atomization or centrifugal spraying of a rotating melt), or by PREP. The amount of spherical particles in the case of melt spraying and PREP is 76-90 and 96-97 % respectively. The formation mechanisms of granular powders are considered. Intragranular and dendritic porosity was found in the cross section of powders produced by the melt spraying processes. PREP powders do not practically have these defects.
Key words: powder morphology and size, heat-resistant Ni-based alloys, gas ato-mization, PREP
Введение
Диски и валы наряду с лопатками являются наиболее ответственными деталями газотурбинных (ГТД) и ракетных двигателей (РД). По традиционной технологии диски и валы получают деформацией слитка [1, 2]. Относительно новое направление в развитии технологии производства заготовок из жаропрочных никелевых
сплавов (ЖНС) - это изготовление указанных деталей способами металлургии гранул [3-6].
Термин «гранулы» применяют в разных отраслях промышленности (например, в фармакологии, в цементной промышленности, металлургии и др.) и трактуют его по-разному. Как правило, гранулами называют частицы шарообразной формы, имеющие сферическую или близкую к ней по морфологии (на-
пример, эллипсоидальную) гладкую поверхность [см. Википедия].
Существуют два принципиально разных способа серийного производства гранул из жаропрочных сплавов:
(1) распыление металлического расплава;
(2) PREP (Plasma Rotated Electrode Process) -плазменное оплавление торца и центробежное распыление вращающейся литой заготовки.
Наиболее широко используются два основных способа распыления расплава: а) газовая атомизация расплава, т. е. диспергирование расплава струями инертных газов, как правило, азотом, аргоном или гелием под высоким давлением [5, 7]; б) центробежное распыление расплава, которое является основным способом получения гранул из алюминиевых сплавов [8], но для ЖНС и титановых сплавов применяется значительно реже, чем газовая атомизация.
Преимущества способов распыления расплава в сравнении с PREP:
1. Более высокие экономичность процесса и выход годного.
2. Химический состав гранул, полученных распылением расплава, более однороден, чем химический состав гранул, изготовленных из распыляемого слитка с дендритной структурой и неоднородным распределением элементов по сечению дендритных ячеек.
3. Значительно меньший размер гранул и, соответственно, более мелкие размеры неметаллических включений, являющихся основной причиной снижения сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ).
4. Возможность более эффективного рафинирования распыляемого расплава.
Основные недостатки гранул, полученных газовой атомизацией расплава:
- внутри этих гранул содержится более высокая, чем в гранулах, полученных способом PREP, объемная доля газонаполненных пор и, как следствие, выше содержание кислорода;
- меньшая текучесть гранул;
- повышенная трудоемкость и стоимость послеоперационной обработки предварительно полученной компактной заготовки.
Нужно отметить, что при правильно выбранных режимах PREP химический состав гранул по однородности ненамного уступает химическому составу гранул, полученных
распылением расплава. Для этого в процессе плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся литой заготовки формируется жидкий венец из расплава, усредняющий химический состав большого объема литого материала [7], и исходная дендритная неоднородность уже не оказывает существенного влияния на качество компактного материала.
Специальные методы рафинирования литой шлифованной заготовки для последующего распыления методом PREP обеспечивают высокое качество гранул, позволяющее получать заготовки из гранул жаропрочных сплавов методом прямого ГИП без последующей пластической деформации [4].
Технология производства заготовок дисков у нас в стране и за рубежом развивается в двух различных направлениях. В РФ гранулы получают способом PREP [3-5], а за рубежом - способом диспергирования расплава атомизацией (atomizing) или центробежным распылением расплава на вращающихся подложках - дисках, чашах, тиглях [6-8]. Однако этот вариант применяют значительно реже.
Полученные по указанным технологиям гранулы подвергают физико-механической обработке: рассеву на заданный гранулометрический состав и сепарации. После этого гранулы засыпают в стальные капсулы под высоким вакуумом с одновременной дегазацией. Засыпку гранул в капсулах виброуплотняют, после чего капсулы герметизируют. Консолидация гранул до теоретической (или 100 %-й) плотности материала происходит методом горячего изо-статического прессования (ГИП) в газостате в среде аргона или азота при 1170-2010 °C в условиях всестороннего сжатия газа высоким (140-200 МПа) давлением.
Гранулы, полученные атомизацией расплава, часто содержат поры, заполненные распыляющим газом. Для устранения этих пор необходима горячая пластическая деформация с высокой степенью в одном направлении. Такую деформацию осуществляют горячим прессованием (экструзией) на прессах и/или горячей осадкой с последующей изотермической штамповкой компактного материала с предварительно подготовленной структурой. Поскольку в гранулах, полученных методом PREP, поры, заполненные газом, практически отсутствуют. В отечественной
металлургии гранул изделия после ГИП, как правило, не деформируют. Такой процесс получил название «прямой ГИП» (Direct HIP).
Заготовки дисков из гранул, полученных способами распыления расплава, и заготовки дисков из гранул, полученных способом PREP, обрабатывают на твердый раствор перед закалкой при разных температурах. В заготовках, полученных из гранул методом распыления расплава, в случае обработки на твердый раствор после ГИП или после ГИП ^ горячая пластическая деформация при температуре, близкой к температуре однофазной у-области, возникает эффект так называемой термически активированной пористости (Thermal Activity Porosity) - TAP-эффект. Наличие в структуре таких пор резко снижает весь комплекс механических характеристик материала заготовок. По этой причине обработку на твердый раствор перед закалкой таких заготовок проводят при существенно более низкой температуре двухфазной у + у'-области материала заготовки. В этом случае прочностные свойства при сравнительно низких температурах (ств, ст02) за счет мелкозернистой структуры получаются высокими, а пластичность (5, у, KCU) и ресурсные показатели снижаются. Указанные структурные факторы уменьшают длительную прочность материала заготовок при рабочих температурах.
В то же время гранулы, полученные способом PREP, которые используются в производстве критических деталей ГТД в отечественном двигателестроении, имеют в структуре лишь одиночные газовые микропоры. Это позволяет проводить термообработку компактного материала на твердый раствор и закалку из однофазной у-области сплавов и тем самым достигать высоких значений длительной прочности и усталостных характеристик.
Сравнительные исследования структуры и комплекса механических характеристик дисков, изготовленных из деформированных слитков, и материала заготовок дисков, полученных из гранул, показали, что причинами повышенной жаропрочности последних являются более однородный по объему диска химический состав и более однородное по объему зерен распределение частиц упрочняющей у'-фазы [3-9].
Преимущество в жаропрочности у изделий, полученных методами гранульной металлургии, наглядно показано на рис. 1. Температура, соответствующая 1000-часовой длительной прочности при напряжении а = = 630 МПа, у гранулируемых ЖНС выше, чем у ЖНС, изготовленных по технологии слиток + деформация.
В XXI веке бурное развитие получили аддитивные технологии, при которых изделие, близкое по форме к готовой детали, изготавливают путем наращивания слоев. Исходным материалом для аддитивных технологий во многих случаях служат гранулы. Важнейшее требование к гранулам, предназначенным для аддитивных технологий - высокий процент гранул со сферической поверхностью [10]. В этом случае частицы имеют хорошую текучесть, а первичные слои - высокую насыпную плотность.
В данной статье представлены результаты сравнительных исследований качества гранул жаропрочных никелевых сплавов, полученных различными способами.
/ AF115 /TTI / ш 4100 О О U7 20О ! Rene88E !0 ^ Renei Li Ren (м: т ^ oR o7J \ / ;104 =3) R1000 8Plus
Rent :95 О U72(
У 1п71 / Waspalo 8 У
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2020 Годы
Рис. 1. Эволюция температуры, соответствующей
1000-часовой длительной прочности при напряжении а = 630 МПа за период 1950-2010 гг.:
о - дисковые сплавы, изготовленные из гранул; • - дисковые сплавы, полученные по технологиям слиток ^ горячая деформация [6]
Материал и методики
Материал. В работе изучали гранулы серийно производимого, широко применяемого сплава ЭП741НП, других отечественных гранулируемых сплавов ЭИ698П, ЭП962П, ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П, ВВ753П [4], гранулы зарубежных никелевых сплавов Udimet U720, Inco-nel IN625 и IN718, а также гранулы титанового сплава типа ВТ6 с ориентировочным составом Ti-6Al-4V (% мас.). Гранулы из сплавов отечественного производства изготавливали способом PREP на установках центробежного распыления типа УЦР. Зарубежные сплавы (U720, IN625, IN718, Ti-6Al-4V) были получены различными способами распыления расплава.
Гранулы из сплава ЭП741НП партий 1-8 получали способом PREP на установках типа УЦР при частотах вращения заготовки Мзаг: 12 00012 500, 14 500-15 000 и 20 500 об/мин (партия 8). После кристаллизации гранулы подвергали магнитной и электростатической сепарациям (ЭСС).
Три партии гранул сплава ВВ750П получали на установке типа УЦР при частотах вращения заготовки ^аг = 17 500-26 000 об/мин.
Гранулы сплава Udimet U720 в фирме Carpenter получали способом газовой атомизации расплава, а гранулы сплавов Inconel IN625 и IN718 в фирме HMI - способом центробежного распыления расплава. Изучали также гранулы титанового сплава (типа ВТ6) с ориентировочным составом Ti-6 Al-4V (% мас.). Эти гранулы изготовлены в фирме Sumitomo способом газовой атомизации расплава.
Методики. Морфологию и размеры гранул изучали методами световой микроскопии (СМ) на микроскопе NEOPHOT-21 и растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе KYKY-2800B. Локальный микро-рентгеноспектральный анализ (МРСА) проводили на спектрометре NORAN.
Микроструктуру гранул в сечении изучали двумя методами в зависимости от размера гранул. Гранулы крупностью
более 50 мкм насыпали монослоем внутрь цилиндра 0 15 мм, установленного на плоскую поверхность. В этот цилиндр заливали смесь мономера протакрила с отвердителем. После полимеризации поверхность микрошлифов шлифовали, а затем механически или электролитически полировали и травили, химически или электролитически.
Для исследования более мелких гранул, полученных способами распыления расплава, гранулы сплава смешивали с порошком чистой меди. Из этой композиции вхолодную прессовали «таблетки» диаметром ~ 10 мм. Микрошлиф готовили на торцевой поверхности «таблетки».
Определение среднего размера гранул бгран и построение гистограмм распределения гранул по размерам проводили по результатам измерений на растровом микроскопе 500-1000 гранул.
Результаты и обсуждение
Размеры гранул. На рис. 2 представлены гистограммы распределения по размерам гранул сплава ЭП741НП партий 1 (рис. 2, а), 5 (рис. 2, б) и 8 (рис. 2, в), а в табл. 1 - результаты
%
60 70 80 90 100 Размер гранул, мкм a
Ш
О 10 20 30 40 50
60 70 80 90 100 Размер гранул, мкм б
I I-1--1-1—
110 120 130 140 150
30 40 50 60 Размер гранул, мкм в
Рис. 2. Гистограммы распределения гранул
по размеру. Сплав ЭП741НП. PREP:
- партия 1, W3ar =
- партия 5, N3ar :
- партия 8, N3ar
12500 об/мин, размер гранул = 14500 об/мин, размер гранул -100 + 50 мкм, б гран = 20500 об/мин, размер гранул -75 + 50 мкм, б гран
140 + 50 мкм, d гран = 76,7 мкм;
: 71,5 мкм; = 34,8 мкм
35 30 25 20 15 10 5
%
%
tw
35 PI
30
25
20
15
10
5
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Размер гранул, мкм а
35 30 25 20 15 10 5
с
I I I I I I I
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Размер гранул, мкм б
Рис. 3. Гистограммы распределения по размеру гранул, полученных
а - сплав И-бАМУ, газовая атомизация расплава, размер гранул - 45 б - сплав и720, газовая атомизация расплава, размер гранул - 70 м в - сплав 1Ы625, центробежное распыление расплава, размер гранул -
35 30 25 20 15 10 5
>0 0
%
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Размер гранул, мкм в
енных распылением расплава:
ул - 45 мкм, d гран = 10-11 мкм; - 70 мкм, drpaH = 10-11 мкм; >анул - 100 мкм, d гран = 31 мкм
измерения средних размеров гранул drpaH в зависимости от способа их получения и от N3a. Видно, что увеличение N3£ir при PREP с 12 500 до 13 500 об/мин не изменило drpaH = 65-75 мкм. В случае повышения Nзаг до 20 500 об/мин drpaH уменьшился вдвое (drpaH = 35 мкм).
Гранулы, полученные распылением расплава, существенно мельче. В случае центробежного распыления расплава drpaH = 31 мкм, а при газовой атомизации расплава drpaH падает до 10-11 мкм. Свыше 50 % гранул, полу-
ченных газовой атомизацией, имеют размеры менее 10 мкм. На гистограмме распределения по размерам гранул, полученных центробежным распылением расплава (рис. 3, в) 50 % гранул имеют вдвое больший размер (20 мкм). Эта гистограмма отличается от гистограмм на рис. 3, а, б значительным количеством гранул с размерами более 40 мкм.
Гистограммы распределения по размерам гранул партий 1 и 5 (см. рис. 2, а, б), полученных способом PREP, почти симметричны и
Таблица 1
Средний размер гранул исследованных партий tfrpaH
Сплав Способ получения заготовки Партия гранул Скорость вращения заготовки, об/мин Заданный размер гранул, мкм Максимальный размер гранул после рассева ^макс мкм drpaH , мкм Стандартное отклонение а, мкм
ЭП741НП PREP 1 12 500 -140 + 50 160 71,5 18,2
2 12 500 -140 + 50 66,2 16,8
3 13 500 - 76,7 17,4
5 14 500 -100 + 50 140
8 20 500 -75 + 50 105 34,8 15,5
U720 Газовая атомизация расплава - 70 10-11 -
Ti-6Al-4V Газовая атомизация расплава - 45 10-11 -
IN625 Центробежное распыление расплава - 100 31 -
близки к нормальному распределению, тогда как гистограммы распределения по размерам гранул, полученных распылением расплава (см. рис. 3), асимметричны и ближе к распределению Вейбулла. В случае высокой скорости вращения (Мзаг = 20 500 об/мин) при PREP часть гистограммы, относящаяся к мелким гранулам, слегка асимметрична, т. е. напоминает гистограммы на рис. 3.
Отсутствие пористости в гранулах, полученных методом PREP, также физически закономерный факт, поскольку частицы формируются здесь только в поле сил инерции (центробежной силы), сил поверхностного натяжения и частично вследствие виброускорения. Энергия газового потока при этом практически не включена в процесс дробления, тогда как этот фактор является главным при атомизации расплава газом. Отдельные выпады с наличием единичных пор в частицах - из того же случайного ряда, как и их столкновение с образованием дефектов формы.
Все партии гранул, полученных способом PREP (см. рис. 2), проходили электростатическую сепарацию (ЭСС). Из рис. 2, в для партии 8 следует, что фактически мелкие гранулы размером менее 30 мкм, которые в соответствии с требованиями к гранулометрическому составу этой партии (-75 + 50 мкм) должны сепарироваться, на самом деле не сепарируются, а попадают в бункер и в изделие. В партии 1 (-140 + + 50 мкм, см. рис. 2, а) сепарация соответствует заданной. В партии 5 (-100 + 50 мкм, см. рис. 2, б) сепарируются гранулы размером менее 15 мкм.
На рис. 4 показана зависимость среднего размера гранул drpaH от частоты вращения заготовки Ызаг с учетом доверительного интервала на уровне значимости а = 0,05. С увеличением частоты вращения заготовки при PREP уменьшается размер получаемых гранул dr
75 70 65
I 60
I 55 Kf
50 45
40
10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 Жзаг, об/мин
Рис. 4. Зависимость среднего размера гранул ^гран от частоты вращения заготовки Ызаг . Сплавы ЭП741НП и ВВ750П. Способ PREP. Установки УЦР-4 и УЦР-6
Микроструктура поверхности гранул и в их сечении. На изображениях поверхности гранул сплава ЭП741НП во вторичных электронах видно, что основная часть гранул имеет сферическую форму (рис. 5, а). На рис. 5, б показана очень мелкая гранула 0 8,5 мкм, дендритная структура в ней отсутствует. Гранулы диаметром более 20 мкм имеют дендритную структуру. Размеры дендритных ячеек ~ 0,2-2 мкм. Чем крупнее гранула, тем ниже скорость ее
гран
Рис
а -
б - ВВ752П, в - ВВ750П, г - ВВ750П,
. 5. Поверхность гранул. PREP. РЭМ:
ЭП741НП, Мзаг = 12500 об/мин, х100; Мзаг = 15000 об/мин, Х5000, гранула 08,5 мкм; Мзаг = 22500 об/мин, Х1000, гранула 074 мкм; Мзаг = 22500 об/мин, Х2000, гранула 0155 мкм
кристаллизации и больше размер дендритных ячеек (дендритный параметр, рис. 5, в, г).
На рис. 6 показана зависимость среднего размера дендритной ячейки (дендритного параметра) от диаметра гранул. Чем больше размер гранул, тем медленнее скорость охлаждения, тем выше дендритный параметр.
На гранулах из сплавов ЭП741НП и ВВ750П, полученных способом PREP на установках типа УЦР при разных частотах вращения заготовки, была построена зависимость периода решетки а от Мзаг Период решетки измеряли дифрактометрически с эталоном из порошка вольфрама. Подробности методики изложены в работе [11]. Результаты представлены на рис. 7. С увеличением Мзаг значение периода решетки монотонно растет. Поскольку все легирующие компоненты в ЖНС имеют больший атомный радиус, чем атомный радиус никеля, это означает, что с повышением Мзаг растет концентрация легирующих
3,5
Я з
f 2,5
I »
с
I 1
S 0,5
* _ _ S
_ • - = -
У -г -
—S / -
1 » ЭП7 41Н п
X — ВВ750П 1 1 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Диаметр гранулы, мкм
Рис. 6. Зависимость дендритного параметра от диаметра гранул сплавов ЭП741НП и ВВ750П
а, нм
0,35960
0,35950
0,35940
0,35930
0,35920
ВВ750 iL—-1
— ЭП7 41НП
12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000
Рис. 7. Изменение периода решетки гранул сплавов ЭП741НП и ВВ750П в зависимости от частоты вращения распыляемой заготовки при PREP
компонентов в кристаллизующемся у-твердом растворе, химический состав которого приближается к химическому составу жидкого расплава. С уменьшением Мзаг увеличивается число медленно охлаждающихся крупных твердожидких капель. Из них при температурах, близких к Тсолид, на границах дендритных ячеек выделяется повышенное количество у'-фазы. В результате концентрация легирующих компонентов в у-фазе снижается и период решетки у-фазы уменьшается.
Рассмотрим механизмы, управляющие морфологией кристаллизующихся частиц. Если капля расплава кристаллизуется в свободном полете, она должна иметь сферическую форму, поскольку шар из всех тел того же размера имеет минимальную поверхность, и, следовательно, минимальную поверхностную энергию. Поэтому струйки расплава всегда дробятся на капли со сферической поверхностью. Чем тоньше струйка, тем меньше капля и мельче кристаллизующиеся из них частицы - сферические гранулы или частицы несферической формы, которые могут появиться только в результате столкновения охлаждающихся капель расплава с другими каплями расплава или с уже закристаллизовавшимися частицами. Если столкновений не было, сферические капли расплава, охлаждаясь от температуры начала кристаллизации (температуры ликвидуса Тл) до температуры конца кристаллизации (температуры солидуса Тсол), превращаются в сферические гранулы. В интервале температур Тл - Тсол капли расплава являются твердожидкими. Если две твердо-жидкие капли расплава успевают столкнуться и соединиться при температурах чуть ниже Тл, возникают двойные гранулы (рис. 8, а).
Постоянно присутствующий фактор, очевидно влияющий на процесс формирования частиц методом PREP - фактор вибрации вращающейся заготовки. Он выступает как один из механизмов дробления венчика расплава на периферии оплавляемого торца (наряду с инерциальными силами и силами поверхностного натяжения расплава). Влияние вибрации можно рассматривать как случайное, определяемое степенью уравновешенности вращающейся системы (механизма) установки распыления, и оценить его можно пока
AI
ÄJXaT
Ni
Рис. 8. Поверхность частиц несферической морфологии. Сплав ЭП741НП. PREP. РЭМ:
а -двойная гранула; б - сложный конгломерат;
в - срастание двух твердых гранул после соударения; г -столкновение двух твердожидких гранул с вытеканием расплава из верхней гранулы на поверхность нижней гранулы; д, е - гранулы с оболочками; ж, з - результат кристаллизации твердожидких частиц с направлениями роста вытекшего расплава <100>Y; и - твердожидкая частица, разрушенная после столкновения с другой частицей; к, л - фрагменты сложной формы, образовавшиеся при кристаллизации высокотемпературного расплава; м, н - оксиды
. соответственно
типа Al2O3 и Al2O3
Cr2O3
0 1 2 3 4 5 6 keV
только качественно. Количественные оценки фактора вибрации на данный момент не предпринимались из-за сложности построения физической и математической модели.
Еще один важный фактор, присутствующий в РРЕР-технологии - фактор отраженного (спутного) потока плазмы, в котором находятся частицы расплава непосредственно после отрыва от периферии вращающейся заготовки. Благодаря этому создаются благоприятные условия для формообразования частицы расплава в сферу, поскольку при этом обеспечивается подогрев частиц плазмой в течение определенного времени, достаточного для завершения колебательного процесса в поле сил поверхностного натяжения с выходом на стабильную сферическую форму. Именно этот фактор обеспечивает для РРЕР-процесса практически 100 % -й выход гранул правильной сферической формы, а выпады из этой статистики носят случайный характер. Так же случайный характер носят здесь столкновения частиц в полете, поскольку они слетают с заготовки в одних и тех же направлениях с определенным интервалом (частотой), зависящим как от частоты вращения, так и от скорости плавления (мощности плазмотрона).
Столкновение нескольких твердожидких капель расплава при более низких температурах может привести к появлению сложных конгломератов. Так, конгломерат, показанный на рис. 8, б, состоит из двух сферических гранул, одной несферической частицы в виде «шапочки», закристаллизовавшейся на поверхности нижней гранулы, и фрагментов неопределенной формы, образовавшихся при кристаллизации расплава с высоким содержанием у'-образующих элементов (А1, И, ЫЬ), вытекшего при столкновении нескольких твер-дожидких частиц и растекшегося по поверхности этих частиц. Несколько таких фрагментов «прилипли» к закристаллизовавшимся гранулам. На рис. 8, в показан пример соударения двух полностью закристаллизовавшихся сферических гранул диаметрами 45 и 130 мкм, которые после соударения объединились в одну частицу, а на рис. 8, г - типичный результат столкновения двух твердожидких частиц. Жидкая фракция расплава из верхней частицы, вылилась на поверхность нижней, полно-
стью закристаллизовавшейся частицы. На поверхности верхней частицы видны плоские дендриты у-фазы, а внутренняя часть этой частицы пуста. На рис. 8, д, е наблюдаются гранулы с более тонкой (рис. 8, д) и более толстой (рис. 8, е) сферическими оболочками, возникшими при растекании и кристаллизации на их поверхности расплава с температурой, близкой к Тл. Из-за высокой скорости кристаллизации обе оболочки не имеют дендритной структуры. На рис. 8, ж, з представлены частицы, образовавшиеся в результате кристаллизации больших порций расплава на поверхности уже затвердевших частиц. Отдельные участки этого расплава кристаллизуются в направлениях осей дендрита с максимальной скоростью роста <100>уу (показаны стрелками).
На рис. 8, и показана поверхность, по которой разрушилась при столкновении с другой частицей твердожидкая частица размером 85 мкм. Оставшийся на этой поверхности расплав закристаллизовался в виде узких холмиков. Один из них, вероятно, находился в тройном стыке между дендритными ячейками. На рис. 8, к, л представлены фрагменты сложной формы, образовавшиеся в результате кристаллизации расплава с температурой, близкой к Тсол, вытекшего из расколовшихся гранул.
Результаты МРСА во всех случаях показали, что химический состав поверхности оболочек и других закристаллизовавшихся объемов вытекшего расплава почти не отличается от среднего химического состава сплава. В некоторых случаях на поверхности сферических гранул видны неметаллические включения (рис. 8, м, н). По данным МРСА, в их составе имеется повышенное содержание алюминия, т. е. включения представляют собой оксиды типа Al2O3 и Al2O3 • Cr2O3.
На рис. 9 показана микроструктура сечения гранул из сплава ЭП741НП (без травления). Поры в сечении гранул, полученных методом PREP, ни разу не были обнаружены. На рис. 9, б показана одна пора, выходящая на поверхность гранулы. Причиной образования таких открытых пор могут быть взаимные столкновения твердожидких гранул с захлопыванием некоторого объема инертного газа (Ar, He) в процессе кристаллизации гранул. Этот газ находится в установке для проведения PREP
и создает плазму в плазмотроне. Отсутствие заполненных газом пор внутри гранул, полученных способом PREP, объясняется тем, что в распыляемой литой заготовке таких пор нет, а столкновения твер-дожидких гранул в процессе PREP происходят очень редко, во всяком случае, как показано ниже, во много раз реже, чем в способах получения гранул распылением расплава.
На рис. 10, 11 представлены микрофотографии сечения гранул, полученных методом PREP, после травления микрошлифов. Дендритная структура выявляется во всех гранулах и частицах размером более 20 мкм. На рис. 11, б, в показана дендритная микро-
Рис. 9. Микроструктура гранул в сечении без травления. Сплав ЭП741НП. PREP:
а, б - СМ, х 100; в, г - РЭМ, х500
Рис. 10. Микроструктура гранул в сечении после травления. Сплав ВВ750П. PREP. РЭМ, Х4000:
а - гранула 020 мм; б - гранула 076 мм; в - гранула 0108 мм
п^н^вни ШМШ HViK^ti
iflür лЕЗН?-- гчЛЙЗг ящкяр
^^Нг я1
№ yß ' титшпъ
структура двойной гранулы. В промежутке между двумя гранулами происходит максимальная усадка и возникает максимальная усадочная пористость. Размер микропор достигает здесь 1-1,5 мкм (рис. 11, в). В приповерхностной зоне некоторых гранул из-за высокой скорости кристаллизации дендритная структура отсутствует (рис. 11, г). Внутри фрагмента, представляющего собой вытекший и закристаллизовавшийся расплав, дендритной структуры, как и в случае сферических оболочек, нет (рис. 11, д).
Оценим количество гранул с особенностями морфологии, полученных способом PREP (табл. 2). Поскольку скорости охлаждения у заготовок 1-3 почти одинаковы, равен и процент сферических гранул (96-97 %). Это очень высокий процент. Различия между партиями в количестве двойных гранул и гранул с другими особенностями морфологии невелики и находятся в пределах ±2 а (а- стандартное отклонение).
Далее рассмотрим результаты исследований поверхности и сечений гранул и частиц, полученных распылением расплава (рис. 12-18). Обращает на себя внимание большое количество конгломератов из сравнительно более крупных гранул, на которых гроздьями висят более мелкие гранулы (рис. 12, а, в, г). Гранулы
Рис. 11. Микроструктура сечения гранул после травления. Сплав ЭП741НП. PREP. РЭМ:
а - гранула 065 мкм, Х2000; б - двойная гранула 065 мкм, х550; в - промежуток между гранулами на рис. 11, б, Х2000; г - гранула 070 мкм, Х1200; д - сечение закристаллизовавшегося на поверхности нижней гранулы расплава, вылившегося из верхней гранулы, х850
Таблица 2 Количество сферических и несферических гранул сплава ЭП741НП с особенностями морфологии. Гранулы получены PREP
Номер партии Количество гранул, шт. Сферические гранулы Несферические частицы Сферические гранулы, шт./%
гранулы с оболочкой, шт./% гранулы с оксидами, шт./% двойные гранулы, шт./% частицы сложной формы, шт./%
1 302 13/4,3 10/3,3 7/2,3 5/1,7 290/96,0
2 494 18/3,6 10/2,0 7/1,4 8/1,6 15/97,0
3 341 8/2,35 8/2,35 2/0,6 8/2,3 18/97,1
Рис. 12. Поверхность гранул и частиц несферической морфологии сплава Ti-6Al-4V после газовой атомизации расплава.
Максимальный размер гранул 45 мкм. РЭМ
размером менее 15 мкм не имеют дендритной структуры (рис. 12-14). Встречаются лакуны на поверхности, образовавшиеся в результате вы-рова твердожидких фрагментов при столкновении гранул (рис. 12, б; рис. 14, б). Принципиально новых по морфологии гранул в сравнении с гранулами, изготовленными способом PREP, нет. Наблюдаются гранулы со сферическими оболочками (рис. 14, в, г), расколовшиеся гранулы (рис. 14, а), закристаллизовавшиеся на поверхности в виде плоских дендритов фрагменты расплава (рис. 13, б, г).
В табл. 3 представлены количественные результаты оценки морфологии гранул, полученных распылением расплава. Столкновения жидких и твердожидких капель расплава в этих способах начинаются и заканчиваются при меньших размерах капель и происходят значительно чаще и интенсивней из-за более высокой турбулентности потоков расплава, их сложного взаимодействия, большей скорости и кинетической энергии капель расплава, чем в случае получения гранул способом PREP [8]. Сравнение табл. 2 и 3 показывает, что в случае распыления расплава количество сферических гранул уменьшается. Оно остается достаточно высоким (95 % при центробежном распылении расплава и 77-90 % в случае газовой атомизации расплава).
äs.
- W/УИН Й^ЧИ
i jU
• -
рнУу , М т д
Рис. 13. Поверхность гранул и частиц несферической морфологии сплава иШте1 720 после газовой атомизации расплава. Максимальный размер гранул 70 мкм. РЭМ
Рис. 14. Поверхность гранул и частиц несферической морфологии сплава 1псопе1 625 после центробежного распыления расплава. Максимальный размер гранул 100 мкм. РЭМ
Важнейшей характеристикой гранул является наличие или отсутствие внутри гранул пор, заполненных газом. На рис. 15-18 показаны результаты исследования микроструктуры сечения гранул, полученных распылением расплава. В отличие от аналогичных исследований сечения гранул, изготовленных способом PREP, количество пор внутри гранул, полученных методами распыления расплава, на
б
а
в
Таблица 3 Оценка количества сферических гранул и несферических частиц с особенностями морфологии для изготовления гранул способами распыления расплава
Сплав Способ получения Сферические гранулы Несферические частицы Сферические гранулы, шт./%
гранулы с порами на поверхности, шт./% гранулы с оболочкой, шт./% двойные гранулы, конгломераты и гранулы сложной формы, шт./% расколотые гранулы, шт./%
Т1-6А!-^ Газовая атомизация расплава 1/2,1 6/12,8 10/2,8 1/2,1 290/76,6
и720 Нет 48/42,5 12/10,6 Нет 479/89,4
1М625 Центробежное распыление расплава 3/5,4 24/42,9 2/3,6 1/1,8 331/94,6
Рис. 15. Микроструктура в сечении гранул и частиц несферической морфологии сплава Т1-6А1-4У после газовой атомизации расплава. Максимальный размер гранул 45 мкм. РЭМ
Рис. 16. Микроструктура в сечении гранул и частиц несферической морфологии сплава иШте1 720 после газовой атомизации расплава. Максимальный размер гранул 70 мкм. РЭМ
б
Рис. 17. Микроструктура в сечении гранул и частиц несферической морфологии сплава 1псопе! 625 после центробежного распыления расплава. Максимальный размер гранул 100 мкм. РЭМ
а
в
порядок выше. Наблюдаются компактные газонаполненные поры (рис. 15, а, г; 16, г; 17, а; 18, а, в, г, д, е), междендритная пористость (рис. 15, б, в; 16, а; 17, в, г; 18, б), попадание мелких гранул внутрь крупных и связанная с этим усадочная пористость (рис. 15, б; 16, б, в; 17, б; 18, б). Во всех этих случаях поры, скорее всего, заполнены газом. Для их устранения необходима горячая пластическая деформация компактного материала с большой степенью.
Выводы
Изучены особенности морфологии гранул, полученных методами распыления расплава и PREP.
1. Методом растровой электронной микроскопии изучены поверхность и сечения гранул сплавов ЭП741НП, ЭИ698П, ЭП962П, ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П, ВВ753П, полученных в ОАО «ВИЛС» и в других организациях способом PREP. Исследования сечений гранул, изготовленных способом PREP, не выявили ни одного случая наличия пор внутри гранул.
2. Средние размеры гранул drpaH, полученных в установках типа УРС способом PREP, и гистограммы распределения гранул по размерам сильно зависят от скорости вращения заготовки Мзаг. При ^аг = = 12500-13500 об/мин drpaH =
^аг =
= 35 мкм.
= 66-77 мк = 20500 об/мин d г
Рис. 18. Пористость в сечении гранул сплавов ЭИ698П (а, в, д) и 1псопе! 718 (б, г, е). Газовая атомизация расплава. Гранулы сплава ЭИ698П имеют максимальную крупность 105 мкм, а сплава 1псопе! 718 - 70 мкм:
а, б - фракция 15-30 мкм; в, г - фракция 31-60 мкм; д, е - фракция 61-120 мкм. РЭМ. Х2000
гран
Увеличение частоты вращения заготовки при PREP снижает drpaH и смещает гистограммы к меньшим размерам гранул. Гистограммы распределения по размерам гранул, полученных способом PREP, почти симметричны и близки к нормальному распределению, тогда как гистограммы распределения по размерам гранул, полученных методами распыления расплава (см. рис. 3), асимметричны и ближе к распределению Вейбулла.
3. Даны количественные оценки зависимости доли гранул с особенностями морфологии, полученных способом PREP, от скорости вращения заготовки ^аг. Дана оценка доли получаемых сферических гранул (в том числе, гранул с оболочкой) и несферических частиц с особой морфологией (двойных гранул и конгломератов из нескольких
гранул, фрагментов сложной формы). Количество сферических гранул, полученных методом PREP, составляет 96-97 %. Количество сферических гранул, полученных газовой атомизацией расплава, составляет 76-90 %. При центробежном распылении расплава количество сферических гранул составляет до 95 %. Рассмотрены возможные механизмы образования вместо сферических гранул частиц сложной формы с различными особенностями морфологии.
4. Исследование сечений гранул, полученных способом газовой атомизации расплава, показало, что количество пор внутри гранул
на порядок выше, чем в случае изготовления гранул методом PREP. В гранулах, полученных способом газовой атомизации расплава, обнаружены внутригранульная пористость, междендритная пористость, попадание маленьких гранул внутрь гранул большего размера и др. Устранение этих дефектов требует горячей деформации прессованием или осадкой с высокой степенью деформации.
Авторы выражают признательность канд. техн. наук Е.И. Старовойтенко за помощь в редактировании материалов статьи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Логунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). - М.: Наука и технология, 2013. - 264 с.
2. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М., Летников М.Н., Мазалов И.С. Применение новых деформируемых никелевых сплавов для газотурбинных двигателей. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-Б-116-129.
3. Белов А.Ф., Аношкин Н.Ф., Фаткуллин О.Х. Структура и свойства гранулируемых сплавов. -М.: Металлургия, 1984.
4. Гарибов Г.С. Перспективы развития отечественных дисковых гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов для новых образцов авиационной техники // Технология легких сплавов. 2017. № 1. С. 7-28.
5. Гарибов Г.С. Создание технологии металлургии гранул жаропрочных никелевых сплавов - наиболее яркая страница в истории развития Всероссийского института легких сплавов // Технология легких сплавов. 2021. № 2. С. 38-47.
6. Reed R.C. et al. The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge University Press, 2006. - 372 p.
7. Cui C.Y., Sato A., Gu Y.F., Ping D.H., Harada H. Phase stability and yield stress of Ni-base superalloys containing high Co and Ti // Metallurgical and Materials Transactions. 2006. November. А 37 (11). Р. 3183-3190.
8. Рудской А.И., Волков К.Н., Кондратьев С.Ю., Соколов Ю.А. Физические процессы и технологии получения металлических порошков из расплава. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. - 610 с.
9. Старовойтенко Е.И., Зенина М.В., Казберович А.М. Физические аспекты получения металлических порошков для гранульных и аддитивных технологий // Технология легких сплавов. 2020. № 3. С. 4-10.
10. Добаткин В.И., Елагин В.И. Гранулируемые алюминиевые сплавы. - М.: Металлургия, 1981. - 176 с.
11. Бер Л.Б., Казберович А.М. Влияние легирования и некоторых структурных факторов на комплекс характеристик заготовок дисков из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов ЭП741НП, ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П и ВВ753П // Технология легких сплавов. 2019. № 3. С. 16-33.
REFERENCES
1. Logunov A.V., Shmotin Yu.N. Sovremennyye zha-roprochnyye nikelevyye splavy dlya diskov gazovykh turbin (materialy i tekhnologii). - M.: Nauka i tekh-nologiya, 2013. - 264 s.
2. Lomberg B.S., Ovsepyan S.V., Bakradze M.M., Letnikov M.N., Mazalov I.S. Primeneniye novykh deformiruyemykh nikelevykh splavov dlya gazo-turbinnykh dvigateley. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-116-129.
3. Belov A.F., Anoshkin N.F., Fatkullin O.Kh. Struk-tura i svoystva granuliruyemykh splavov. - M.: Metal-lurgiya, 1984.
4. Garibov G.S. Perspektivy razvitiya otechestvennykh diskovykh granuliruyemykh zharoprochnykh nikelevykh splavov dlya novykh obraztsov aviatsionnoy tekhniki // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2017. № 1. S. 7-28.
5. Garibov G.S. Sozdaniye tekhnologii metallurgii granul zharoprochnykh nikelevykh splavov - naibo-leye yarkaya stranitsa v istorii razvitiya Vserossiys-kogo instituta lyogkikh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2021. № 2. S. 38-47.
6. Reed R.C. et al. The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge University Press, 2006. - 372 p.
7. Cui C.Y., Sato A., Gu Y.F., Ping D.H., Harada H. Phase stability and yeld stress of Ni-base superalloys containing high Co and Ti // Metallurgical and Materials Transactions. 2006. November. A 37 (11). P. 3183-3190.
8. Rudskoy A.I., Volkov K.N., Kondratyev S. Yu., Soko-lov Yu.A. Fizicheskiye protsessy i tekhnologii polucheni-ya metallicheskikh poroshkov iz rasplava. - SPb.: Izda-telstvo Politekhnicheskogo universiteta, 2018. - 610 s.
9. Starovoytenko Ye.I., Zenina M.V., Kazberovich A.M. Fizicheskiye aspekty polucheniya metallicheskikh po-roshkov dlya granulnykh i additivnykh tekhnologiy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2020. № 3. S. 4-10.
10. Dobatkin V.l., Yelagin V.I. Granuliruyemyye alyumi-niyevyye splavy. - M.: Metallurgiya, 1981. - 176 s.
11. Ber L.B., Kazberovich A.M. Vliyaniye legirovaniya i nekotorykh strukturnykh faktorov na kompleks khara-kteristik zagotovok diskov iz granuliruyemykh zharoprochnykh nikelevykh splavov EP741NP, VV750P, VV751P, VV752P i VV753P // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2019. № 3. S. 16-33.
