CC BY
31
УДК 669.018.44
Канд. техн. наук О. А. Глотка, д-р техн. наук А. Д. Коваль,
канд. техн. наук В. Л. Грешта
Національний технічний університет, м. Запоріжжя
ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНЕ РУЙНУВАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ЖАРОМІЦНОГО КОРОЗІЙНОСТІЙКОГО СПЛАВУ ЗМІ-ЗУ (ХН64ВМКЮТ)
Проаналізовано структурно-фазовий стан жароміцного корозійностійкого сплаву ЗМІ-ЗУ (ХН64ВМКЮТ), що витоплений з використанням спеціальних сплавів. Розглянуто рух тріщини після випробування на довготривалу міцність. Згідно з результатами дослідження, рекомендовано до впровадження спеціальні матеріали в промисловість.
Ключові слова: жароміцний корозійностійкий сплав, спеціальні сплави, структур но-фазо вий стан,
високотемпературне руйнування.
Жароміцні корозійностійкі сплави на нікелевій основі мають підвищені вимоги відносно хімічного складу. Особливу увагу приділять домішкам, що суворо регламентуються технічними умовами постачання та державними стандартами України.
До таких домішок належать: вісмут, олово, арсен, свинець, фосфор, сірка та залізо. Саме останнє є у складі розроблених спеціальних сплавів системи №-\У[1] в межах 2,5... 5,5 % (мас.). Залізо знижує високотемпературні властивості за рахунок утворення т.щ.п.-фаз, до складу яких залізо входить разом з хромом, вольфрамом, молібденом та ренієм. Іншим негативним фактором є те, що при перевищенні вмісту заліза встановленими нормами понад 4 % (мас.), є зниження високотемпературного опору корозії за рахунок утворення нещільної плівки окислів на поверхні виробу.
Також залізо може брати участь у заміщенні нікелю у фазі зміцнення №3(А1,Ті). Порівняно з кобальтом, вольфрамом та молібденом, які також можуть за-міщувати нікель, залізо знижує енергетичну стабільність фази та енергію міжатомних зв’язків, що викликає передчасну коагуляцію та сфероідизацію. Таким чином, постає потреба в порівняльному аналізі структури, механічних та високотемпературних властивостей експериментального та витопленого за стандартною технологією сплавів з метою виявлення впливу заліза на зміну фазово-структурного стану системи.
Матеріали та методика дослідження
Легування жароміцного сплаву на нікелевій основі виконувалося розробленими спеціальними сплавами, які витоплені з використанням важкотопкош брухту [1’2]-
Витоплення проводили в індукційній вакуумній печі УППФ-ЗМ з залишковим тиском 0,266 Па при
температурі 1600 °С. У шихтовій заготовці проводили заміну вольфраму на спеціальні сплави, технологію при цьому не змінювали. Заливання металу проводили при температурі 1550 °С в керамічні форми, нагріті до 900 °С (зразки діаметром 12 мм та довжиною 60 мм).
Хімічний склад експериментального сплаву відповідав ТУ 108.1119-82, ТУ 481.981.6.00009 та паспорту на сплав. Отримані відливки підлягали термічній обробці за режимом: нагрівання 1180±10 °С, витримка 4 години, охолодження на повітрі; нагрівання 1050±10 °С, витримка 3 години, охолодження на повітрі; старіння при 850±10 °С, 24 години, охолодження на повітрі. Після термічної обробки з заготовок виготовлялися зразки для високотемпературних випробувань (випробування на довготривалу міцність ГОСТ 10145-81 при температурі 800 °С [3].
Мікроструктуру вивчали на електронному мікроскопі РЭМ-106И, який оснащений системою рентгеноспектрального енергодисперсійного мікроаналізу при прискорювальній напругі 20 кВ у вторинних електронах. Характеристичні випромінювання отримані від характерних точок; кількісний рентгеноспектральний мікроаналіз виконаний при порівнянні отриманих спектрограм з еталонами. Зразки перед випробуванням механічно шліфували, полірували та хімічно травили в реактиві «Марбле» (100 мл НС1, 20 гр Си304, 100 мл Н20).
Результати дослідження та їх обговорення
Мікроструктура сплаву ЗМІ-ЗУ після термічної обробки складається з у- твердого розчину на основі нікелю, інтерметаліду у', який залежно від хімічного складу може змінювати співвідношення елементів та карбідів типу МС і М23С6. Морфологія виділень карбідів типу МС зазвичай має форму грубих неправильних включень або ієрогліфів. Ці карбіди первинні
© О. А. Глотка, А. Д. Коваль, В. Л. Грешта, 2012
1607-6885 Нові матеріали і технології е металургії та машинобудуванні №1, 2012
49
і мають стійку структуру та повністю не розчиняються під час термічної обробки. У сплавах цієї групи спостерігаються карбіди типу МС таких елементів, як Ті, № та Та. Очевидно, що атоми цих металів можуть заміняти одне одного в карбіді та утворювати сполуки типу (Ті, І\ГЬ) С. Однак атоми менш схильних до утворення з вуглецем сполук також можуть займати місце в складі карбідних фаз. Таке явище може призводити до виродження стабільного карбіду з проходженням реакції та утворенням менш стійкого карбіду типу М23С6,особливо після довготривалих експлуатацій чи довготривалих випробувань.
Карбіди типу М23С6 проявляють помітну схильність до виділення по границях зерен у вигляді округлої форми або у вигляді пластин. У сплавах наявні вольфрам та молібден, звідси карбіди можуть набувати вигляд Сг23(ЛУ,Мо)2С6, хоча хром у сполуці може замінюватися нікелем, кобальтом або навіть залізом, а вольфрам з молібденом - іншими наявними тугоплавкими металами. Саме ці карбіди перешкоджають зерномежово-му проковзуванню при високотемпературній повзучості та мають найбільшу спорідненість з т.щ.п. фазами. Це може приводити до зародження на карбіді т. щ.п. фази, яка буде суттєво знижувати властивості сплаву. Т.щ.п. фази найчастіше розташовуються по границях зерен та мають пластинчасту форму. Однак на експериментальному сплаві вказана фаза не спостерігається.
Після випробування на довготривалу міцність при температурі 800 °С металографія сплаву значно змінюється, спостерігається збільшення в розмірах та витягування структурних складових (рис. 1).
Така структура типова для сплавів, які пройшли довготривалі випробування або експлуатацію. Однак типовим є також виділення пластин а- фази, яка значно знижує характеристики сплаву, але таких включень не спостерігається в експериментальному сплаві. Спостерігається проходження явищ зі збільшення розміру (коагуляції) та коалесценції у'- фази, такі самі процеси відбуваються і з карбідами. Коалесценція у' - фази проявляється утворенням на поверхні досліджуваного шліфа характерної стрічкової структури («рафт-структура»), яка має перпендикулярну орієнтацію до прикладеного навантаження. Така морфологія призводить до зниження опору руху дислокацій при високотемпературній повзучості.
Руйнування зразка відбувається не миттєво, а впродовж деякого терміну, про що свідчить окислена поверхня розділу. В деяких зразках рух тріщини починається від поверхні матеріалу і йде в глибину, хоча така поведінка не є характерною для всієї групи сплавів, що досліджувалися.
Рух тріщини відбувається по найменшому шляху опору, тобто по границі зерна. Оскільки на границі зерна знаходяться карбіди та сегрегації шкідливих домішок, то і опір руху тріщини є мінімальним. Однак не спостерігаються фази, збагачені на залізо та т.щ.п,- фази, що значно знижують високотемпературні властивості сплаву.
б
Рис. 1. Розвиток тріщини в жароміцному сплаві ЗМІ-ЗУ після довготривалих випробувань
Таким чином, дослідивши структуру, властивості та рух тріщини, можна стверджувати, що вплив спеціальних сплавів на фазово-структурний стан не спостерігається, а, отже, розроблені сплави можуть слугувати замінниками стандартних шихтових матеріалів.
Висновки
1. Витоплений жароміцний сплав ЗМІ-ЗУ з використанням спеціальних сплавів відповідає вимогам ТУ 108.1119-82, ТУ 481.981.6.00009 та паспорту на сплав.
2. Високотемпературне руйнування сплаву проходить по границях зерен, що ймовірно обумовлено сегрегацією шкідливих домішок та наявність вторинних карбідів.
3. Руйнування проходить не миттєво, а з певною затримкою, оскільки виявлено окислення площин руйнування.
4. Рекомендовано до впровадження спеціальні сплави як замінники базових стандартних шихтових матеріалів у промисловості.
Список літератури
1. Глотка О. А. Виготовленнями лігатури для легування стопів на основі нікелю / О. А. Глотка, А. Д. Коваль II Вісник двигунобудування. - 2008. - № 1. - С. 139-142.
2. Глотка О. А. Дослідження важкотопкого брухту, що містить вольфрам / О. А. Глотка, А. Д. Коваль, Л. П. Степанова // Нові матеріали та технології в металургії та машинобудуванні - 2007. - № 1.-С. 17-20.
3. Глотка О. А. Дослідження впливу легування важкотоп-ким брухтом на структуру та властивості жароміцного сплаву і О. А. Глотка, А. Д. Коваль, Ю. Н. Внуков //
Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2010. - № і.-С. 45-51.
Одержано 24.04.2012
Глотка А.А., Коваль А.Д., Грешта B.JI. Высокотемпературное разрушение экспериментального корррозионностойкого сплава ЗМИ-ЗУ (ХН64ВМКЮТ)
Проанализировано структурно-фазовое состояние жаропрочного коррозионностойкого сплава ЗМИ-ЗУ (ХН64ВМКЮТ), который выплавлен с использованием специальных сплавов. Рассмотрено движение трещины после испытания на долгосрочную прочность. Согласно результатов исследования, рекомендовано к внедрению специальные материалы в промышленность.
Ключевые слова: жаропрочный коррозионностойкий сплав, специальные сплавы, структурно-фазовое состояние, высокотемпературное разрушение.
Glotka О., Koval A., Greshta V. High-temperature destruction of an experimental corrosion-resistant alloy ЗМИ-ЗУ (ХН64ВМКЮТ)
The structural and phase condition ofheat-resistant corrosion-resistant alloy ЗМИ-ЗУ using (ХН64ВМКЮТ) that is melted using special alloys is analysed. Crackmovement after long-term durability test is considered. According to research results, special materials were recommended for introduction in the industry.
Keywords: heat-resistant, corrosion-resistant alloy, special alloys, structural-phase condition, high-temperature destruction.
ISSN 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2012
51
