CC BY
117
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
уДК 621.791.793 Е. Н. ЕРЁМИН
Ю. О. ФИЛИППОВ А. Е. ЕРЁМИН А. С. ЛОСЕВ
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА ЛИКВАЦИЮ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ХРОМОНИКЕЛЕВОМ СПЛАВЕ___________________
Рассмотрено влияние ультрадисперсных частиц карбонитрида титана на дендритную ликвацию и структуру сплава Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б. Показано, что модифицирование приводит к уменьшению расстояния между осями дендритов второго порядка в 2,5 раза и снижению коэффициентов ликвации основных легирующих элементов в 1,6—1,9 раза, что приводит к повышению длительной прочности сплава в 2,6—3,4 раза. Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, модифицирование, наночастицы, дендритная структура, ликвация.
Ликвация легирующих элементов и дендритная структура оказывают огромное влияние на термическую стабильность литого металла заготовок из жаропрочных сплавов. С целью повышения эксплуатационных характеристик таких сплавов применяется модифицирование металлических расплавов дисперсными частицами тугоплавких соединений [1—4]. В то же время влияние такого модифицирования на ликвацию и дендритную структуру жаропрочных сплавов изучено недостаточно.
Ввод дисперсной фазы в жаропрочный сплав, обусловливающий создание в расплаве включений с концентрацией и температурой, отличными от основного расплава, не дает возможности формирования столбчатой структуры. При этом изменения градиента температур и скорости перемещения фронта кристаллизации существенным образом влияет не только на дендритную структуру, но и на дисперсность составляющих и фазовый состав жаропрочных сплавов.
Дендритную структуру принято характеризовать дисперсностью — средним расстоянием между осями дендритов второго порядка и плотностью, которую в данной работе определяли по отношению суммарных длин отрезков осей и межосных пространств, выявляемых микрорентгеноспектральным методом. Неодновременность кристаллизации металла в меж-осных пространствах создает ликвационную неоднородность по химическому составу.
В качестве объекта для изучения вышеописанных процессов был выбран хромоникелевый сплав Х10-Н60К10В10Ю5Т3М2Б. Отливки получали в вакуумной индукционной установке У-177-7М [5]. Для модифицирования использовали ультрадисперсный порошок карбонитрида титана с размером частиц 0,01 —0,1 мкм [6]. Модификатор получали смешиванием порошковых компонентов с последующим холодным прессованием в таблетки, которые вводили в жидкий металл, накопленный в тигле.
При изучении дендритной структуры жаропрочного сплава установлено, что с увеличением добавок
модификатора расстояние между осями дендритов второго порядка уменьшается от 43 до 21 мкм (рис. 1). Плотность дендритной структуры возрастает от 1,2 до 1,7, дисперсность увеличивается в 2,3 раза.
В связи с этим можно ожидать меньшее развитие дендритной ликвации. На практике ликвация в сложных сплавах достаточно полно характеризуется соотношением концентраций элемента в пределах дендритной ячейки — КЛ=См/СО, где См — концентрация элемента в межосном пространстве, СО — в оси дендрита.
В табл. 1 приведены коэффициенты ликвации по основным легирующим элементам сплава Х10Н60К-10В10Ю5Т3М2Б. Исследования проводили на рентгеновском микроанализаторе МБ-46 «Сатеса» по методике, изложенной в работе [7]. Результаты измерений усредняли по 3 — 5 точкам. Максимальное отклонение по измеряемым элементам составило 0,2 % по массе. Для идентификации фаз использовали также метод фазового физико-химического анализа.
Результаты, приведенные в таблице, показывают, что направление ликвации алюминия, титана, ниобия — прямое, кобальта и вольфрама — обратное. Хром в присутствии титана и ниобия меняет знак ликвации на обратный. Дендритная ликвация алюминия и хрома незначительна и они равномерно рас-
Рис. 1. Зависимость расстояния между осями дендритов второго порядка 1 в сплаве Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б от концентрации частиц инокулятора N
Коэффициент ликвации КЛ основных легирующих элементов сплава Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б
Состояние металла Элементы
А1 Ті Сг Со № Мо
Немодифицированный 1,07 1,8 0,93 0,90 1,1 2,26 1,07 0,68
Модифицированный 1,04 1,1 0,95 0,95 1,06 1,22 1,05 0,76
Таблица 2
Химический состав сканируемых участков
А1 Ті Сг Со № Мо
немодифицированный
Весовой % 1,65 3,15 9,28 9,57 65,80 1,08 1,47 8,00
модифицированный
Весовой % 2,40 2,05 9,25 10,61 63,17 0,30 1,00 11,21
Рис. 2. Общая картина распределения легирующих элементов немодифицированного (а) и модифицированного (б) сплавов
пределены между осями и межосными пространствами. Ликвация ниобия и титана достаточна велика. Если легирующий элемент имеет коэффициент распределения Кл> 1, то он концентрируется в меж-осных пространствах и наоборот — оси дендритов обогащены элементами с Кл< 1. В соответствии с этим у'-образующие элементы, такие как алюминий, титан, ниобий, оттесняются в межосные пространства, а вольфрам и кобальт концентрируются преимущественно в осях дендритов. В то же время повышенное содержание более сильных, чем вольфрам, у'-образующих элементов (алюминия, ниобия и титана) приводит к замещению вольфрама в составе у'-фазы и выделению его в виде самостоятельных фаз. В результате выделяется большое количество эвтектики (у — у'), обедненной вольфрамом, которая располагается в межосных пространствах. Известно, что граница «эвтектика (у — у') — матрица» обладает повышенной диффузионной проницаемостью по сравнению с самой матрицей сплава [8]. При большом количестве эвтектики значительная часть межосных пространств занята фазой с повышенной диффузионной проницаемостью, вследствие чего
длина свободного пробега дислокаций уменьшается. Поэтому выделяющиеся в межосном пространстве фазы, обогащенные вольфрамом, обедняют их состав, что снижает жаропрочность сплава. Кроме того, вследствие значительной ликвации элементов и скопления их в карбидах эвтектики, обедняется твердый раствор и уменьшается количество у'-фазы, что также оказывает существенное влияние на понижение параметров жаропрочности.
На свойства никелевых сплавов большое влияние оказывает дисперсионное упрочнение матрицы за счет выделения у'-фазы кубической морфологии. Жаропрочность сплавов, упрочненных у'-фазой, зависит от состояния этой фазы — дисперсности частиц, их объемной доли, формы, распределения, химического состава [9]. При этом на термическую стабильность литого металла изделий из жаропрочных сплавов огромное влияние оказывает ликвация легирующих элементов в упрочняющей фазе. В связи с этим были проведены исследования изменения распределения основных легирующих элементов в частицах у'-фазы и межчастичных пространствах при модифицировании хромоникелевого сплава.
б
а
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
%
к
Рис. 3. Распределение легирующих элементов в частицах у'-фазы и межчастичных пространствах при сканировании структуры немодифицированного сплава
Рис. 4. Распределение легирующих элементов в частицах у'-фазы и межчастичных пространствах при сканировании структуры модифицированного сплава
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Исследования проводили на фольгах с использованием просвечивающего электронного микроскопа ЛЕМ-2100 «ЛЕОЬ» с энергодисперсионным анализатором 1пса-250. Заготовки толщиной 0,4 мм для тонких фольг были вырезаны на станке малодеформационного резания металлов и керамик МтНош (81;гаеге), утонение до толщины 0,1 мм осуществлялось механической полировкой. Затем проводилось элетролити-ческое утонение при температуре — 40 °С (охлаждение жидким азотом) в электролите: метанол — 252 мл, бутанол — 140 мл, хлорная кислота — 5 мл.
Электронное изображение сканируемого участка поверхности фольги немодифицированного сплава с общей картиной распределения легирующих элементов приведено на рис. 2а, а модифицированного сплава — на рис. 2 б. Химический состав сканируемых участков приведен в табл. 2.
На изображении сканированного участка не-модифицированного сплава видно неупорядоченное расположение структуры (рис. 2 а). Частицы у'-фазы имеют вид рассеченного прямоугольника. В частицах резко возрастает концентрация никеля, более плавно возрастают концентрации титана, алюминия и ниобия, резко падает концентрация хрома (рис. 3). В межчастичных пространствах выделяется большое количество эвтектики (у — у'), обогащенной хромом, кобальтом, молибденом и пониженным содержанием никеля. Вольфрам распределен равномерно как в частицах, так и в межчастичных пространствах.
На изображении сканированного участка модифицированного сплава видно более упорядоченное расположение структуры (рис. 2 б). Частицы у'-фазы классической квадратной формы, межчастичные пространства узкие. В частицах наряду с алюминием и титаном возрастает концентрации кобальта, никеля и хрома (рис. 4). В межчастичных пространствах количество никеля, хрома и кобальта уменьшается.
Уровень ликвационной неоднородности и размер дендритной ячейки определяют оптимальный режим гомогенизации сплава. М. Флемингс установил, что время гомогенизации (т) сплава в однофазной области связано с параметром дендритной ячейки (1) соотношением т = АХ2, где в постоянную А входит коэффициент диффузии наиболее медленно диффундирующего элемента в сплаве. Отсюда следует, что в сплавах, закристаллизованных с большими скоростями охлаждения и имеющими соответственно малые междендритные расстояния, что имеет место при модифицировании, время гомогенизации, необходимое для выравнивания ликвационной неоднородности химического состава сплава, может быть сокращено. Кроме того, время растворения эвтектической у'-фазы в процессе термообработки зависит также от междендритного расстояния: чем меньше Х, тем дисперснее островки у'-эвтектики. Поэтому полное растворение неравновесной эвтектики происходит быстрее в сплавах с малым междендритным расстоянием. Из полученных в работе [10] значений коэффициентов диффузии для легирующих атомов и примеси следует, что минимальная их величина относится к наиболее сложнолегированным сплавам. Усиление легирования сплава тугоплавкими соединениями приводит к уменьшению коэфициентов диффузии, особенно, параметров граничной диффузии [8]. Изменение параметров граничной диффузии прежде всего может быть связано с изменением кристаллографической ширины границ зерен. Обладая высокой диффузионной проницаемостью и сравнительно низкой энергией активации миграции атомов, границы зерен обнаруживают также зависи-
мость этих параметров от угла разориентировки (0), что связано с изменением их строения. При этом увеличение разориентации до 45° (для металлов с кубической решеткой) ведет к снижению энергии активации процесса граничной диффузии и увеличению диффузионной проницаемости границы [8]. Роль этих процессов в формировании структуры сплава также зависит от модифицирования. Так, без добавок частиц в литом металле формируются преимущественно большеугловые границы между кристаллами с 0 = 25 — 30°. Ввод в расплав хромоникелевого сплава дисперсных частиц карбонитрида титана изменяет процесс формирования вторичных границ и приводит к образованию малоугловых разориентировок между кристаллитами с 0 = 8— 12°. Трансформация высокоугловых границ в малоугловые в результате модифицирования приводит к ощутимой утрате ими активности не только как мест образования центров рекристаллизации, но и как потенциальных мест образования карбидов. В процессе выдержки при длительных испытаниях в структуре наблюдается у'-фаза в виде дискретных частиц различной фонмы. В нерекристаллизованных областях немодифициро-ванного сплава сохраняется повышенная плотность дислокаций; выделяющиеся у'-частицы глыбообразны и не обусловливают когерентную связь у- и у'-фаз. В рекристаллизованных областях модифицированного сплава выделяющиеся частицы у'-фазы когерентны с матрицей и имеют кубическую форму оптимального размера, что свидетельствует о резком торможении рекристаллизационных процессов и обеспечении максимальной длительной прочности. Прямым следствием торможения рекристаллизации в модифицированном сплаве является также уменьшение среднего размера зерна.
Вероятно, усилением ликвационной неоднородности в немодифицированном сплаве можно объяснить более сильную зависимость размера частиц вторичной у'-фазы в осях дендритов от скорости охлаждения. Поскольку оси дендритов в большей степени обогащаются вольфрамом, который тормозит распад твердого раствора и замедляет диффузию, то это обстоятельство способствует выделению частиц у'-фазы меньшего размера. Количество вторичной у'-фазы в осях также меньше в связи с ликвацией основных у'-образующих элементов в междендрит-ные пространства.
После модифицирования элементы, имеющие высокую склонность к ликвации перераспределяются более равномерно, обеспечивая заметное выравнивание химического состава между частицами у'-фазы и межчастичными участками. При этом наблюдается тенденция к формированию более однородной структуры по сравнению с немодифициро-ванным сплавом.
Таким образом, структура модифицированного сплава состоит из двух когерентно связанных фаз: у-твердого раствора и дисперсной у'-фазы кубической формы, однородных по составу, размеру и морфологии как в осях, так и в межосных пространствах. Параметры образований у'-фазы и их объемная доля в модифицированном сплаве определяют повышенные прочностные характеристики и сопротивление ползучести объема зерен. При этом модифицирование активизирует диффузионные процессы в расплаве и тем самым способствует более полному устранению ликвации. Так как диффузия является основой развития процессов на границах и в объеме зерна при повышенных температурах, то можно сказать, что термическая стабильность
жаропрочных никелевых сплавов с модифицированной структурой будет возрастать. Как показали исследования, такие изменения структуры литого модифицированного сплава Х10Н60К10В10Ю5Т3-М2Б приводят к увеличению времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность в 2,63,4 раза, что может существенно повысить долговечность изделий газотурбинных установок.
Библиографический список
1. Фаткулин, О. Х. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов дисперсными частицами тугоплавких соединений / О. Х. Фаткулин, А. А. Офицеров // Литейное производство. — 1993. - № 4. - С. 13-14.
2. Сабуров, В. П. Упрочняющее модифицирование стали и сплавов / В. П. Сабуров // Литейное производство. — 1998. — № 9. - С. 7-8.
3. Ерёмин, Е. Н. Центробежное электрошлаковое литье фланцевых заготовок с применением инокулирующего модифицирования / Е. Н. Ерёмин, С. Н. Жеребцов // Современная электрометаллургия. - 2004. - № 3. - С. 15-17.
4. Плазмохимический синтез нанопорошков тугоплавких соединений и их применение для модифицирования конструкционных сталей и сплавов / М. Р. Предтеченский [и др.] // Литейщик России. - 2010. - № 3. - С. 28-29.
5. Ерёмин, Е. Н. Совершенствование технологии изготовления изделий из жаропрочных сплавов / Е. Н. Ерёмин, Ю. О. Филиппов, А. Е. Ерёмин, А. С. Лосев // Технология машиностроения. - 2007. - № 6. - С. 10-11.
6. Исследование свойств порошка карбонитрида титана, полученного плазмохимическим синтезом / Е. Н. Ерёмин [и др.] // Омский научный вестник. - 2010. - № 1(85). -С. 61-64.
7. Бердичевский, Г. В. Нахождение концентрации элементов при количественном спектральном микроанализе минералов / Г. В. Бердичевский // Геология и геофизика. - 1977. - № 3. -С. 153-157.
8. Бокштейн, С. З. Диффузионные параметры границ фаз у/у' в сплаве на никелевой основе / С. З. Бокштейн // ДАН СССР. - 1980. - Т. 253. - № 6. - С. 1337.
9. Логунов, А.В. Прогнозирование влияния структурных факторов на механические свойства жаропрочных сплавов / А. В. Логунов [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1981. - № 6. - С. 16-20.
10. Шиняев, А. Я. Диффузионные процессы в сплавах / А. Я. Шиняев. - М. : Наука, 1975. - 225 с.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), декан машиностроительного института, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства». ФИЛИППОВ Юрий Олегович, инженер кафедры «Оборудование и технология сварочного производства».
ЕРЁМИН Андрей Евгеньевич, аспирант кафедры «Оборудование и технология сварочного производства».
ЛОСЕВ Александр Сергеевич, ассистент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.06.2012 г.
© Е. Н. Ерёмин, Ю. О. Филиппов, А. Е. Ерёмин, А. С. Лосев
Книжная полка
Копельман, Л. А. Основы теории прочности сварных конструкций : учеб пособие / Л. А. Ко-пельман. - 2-е изд., испр. - СПб. [и др.] : Лань, 2010. - 457 с. - ISBN 978-5-8114-1065-1.
Курс лекций содержит теоретические основы расчетных методов, используемых при оценке прочности сварных конструкций при статических и циклических нагрузках. Учитывается влияние на прочность конструктивно-технологических факторов сварки, особое внимание уделяется методам, направленным на исключение катастрофических разрушений сварных конструкций при «низком уровне напряжений», т. е. при уровне напряжений, существенно ниже допускаемых по стандартным нормам расчетов на прочность этих конструкций.
Формообразующие инструменты машиностроительных производств. Инструменты общего назначения : учеб. для вузов по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / В. А. Гречишников [и др.]. - 3-е изд., перераб. и доп. -Старый Оскол : ТНТ, 2009.- 431 с. - ISBN 978-5-94178-158-4.
В учебнике освещены общие принципы формообразования поверхностей различного профиля, рассмотрены основные направления разработки конструкции инструментов, области их рационального применения и эксплуатации с целью повышения технического уровня, качества и конкурентоспособности обрабатываемых изделий. Даны рекомендации по использованию современных средств вычислительной техники, позволяющих повысить надежность и оптимизировать конструкцию инструмента.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
