CC BY
41
УДК 669.24
ВЛИЯНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПРИСАДКИ ЛЕГИРУЮЩИХ НА СВОЙСТВА СПЛАВА ХН55ВМТКЮ, ВЫПЛАВЛЕННОГО ПО СХЕМЕ ОИП + ВДП
Б.В. Ощепков, Т.А. Жильцова
INFLUENCE OF SEQUENCES OF ADDITION OF ALLOYING UPON CHARACTERISTICS OF THE NICKEL-BASED HEAT-RESISTANT ALLOY
B.V. Oschepkov, T.A. Zhiltsova
В ходе работы осуществлено электронно-микроскопическое исследование состава, формы, характера расположения неметаллических включений в образцах сплава ХН55ВМТКЮ. В ходе промышленных экспериментов изучено влияние порядка присадки легирующих элементов, присаженных в открытую индукционную печь (ОИП), на свойства жаропрочного сплава ХН55ВМТКЮ, выплавленного по схеме ОИП + ВДП. Только за счёт изменения порядка легирования удалось заметно повысить уровень механических свойств образцов сплава.
Ключевые слова: жаропрочные сплавы, порядок легирования, неметаллические включения.
Electronic-microscopic study of the composition, form, spacing of nonmetallic inclusions in the samples of the heat-resistant alloy is realized. During the industrial experiments the influence of the sequences of addition of alloying upon characteristic of heat-resistant alloy is studied. Only due to the change the sequences of addition of alloying the rate of mechanical characteristic of the alloy has been raised.
Keywords: heat-resistant alloy, sequences of addition of alloying, nonmetallic inclusions.
Сплав ХН55ВМТЮО (ЭИ929) рекомендован для изготовления лопаток газовых турбин с длительным сроком службы при различных температурах [1]. Поиск экономически оправданных путей повышения уровня механических свойств этого и подобных сплавов в условиях эксплуатации (при температурах порядка 700...950°С) - актуальная задача, решению которой посвящена настоящая работа.
Механические свойства сплава в значительной степени определяются составом, количеством и характером распределения неметаллических включений. В ходе работы при помощи растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6460LV, оснащенного дисперсионно-энергетическим спектрометром фирмы «Oxford Instruments» для проведения количественного рентгеноспектрального микроанализа, исследованы шлифы образцов сплава ХН55ВМТЮО, прошедшего пластическую деформацию.
Определённый (по данным микрорентгенос-пектрального анализа) средний состав металла вполне соответствует заявленной марке: А1 - 4,32, Ti - 1,89, V - 0,33, Сг - 10,69, Fe - 0,69, Со - 12,82, Ni - 58,71, Мо - 5,54, W - 5,02 мае. %.
Исследованные образцы содержат два типа
неметаллических включений, которые по данным микрорентгеноспектрального анализа могут быть идентифицированы как нитриды титана (первый тип включений) и карбиды с повышенным содержанием молибдена и вольфрама (второй тип). Микрофотографии, иллюстрирующие особенности расположения этих включений, представлены на рис. 1,2 и 3.
Включения первого типа (на фотографиях они имеют чёрный цвет) изометричны, имеют размер порядка 10 мкм и ниже. Встречаются по одному или небольшими группами. Связь расположения таких включений с границами зёрен металла не прослеживается. Составы (в ат. %) включений данного типа, определённые по данным микрорентгеноспектрального анализа:
[N1-45...56;
[Т1] -41,5...45;
[N1] - 1...5;
[Сг] - 0,4...4,0;
[\У] -0,13...0,44;
[Со]-0,00.. .1,16;
менее процента V, Мо, А1, Ре.
Из этих данных можно заключить, что включения первого типа - частицы ТОч[ с небольшим количеством примесей.
Рис. 1. Микрофотография неметаллических включений Рис. 2. Микрофотография нитридных включений в спла-в сплаве ХН55ВМТКЮ. х200 ве ХН55ВМТКЮ. хЮОО
25 к и X 1 ? 000 1 0мггI 10 50 ВЕЗ
Рис. 3. Микрофотография цепочки карбидных включений вдоль границы между зёрнами в сплаве ХН55ВМТКЮ. хЮОО
Включения второго типа (на фотографиях -светлые) имеют средний размер порядка 2 мкм и располагаются цепочками по границам зёрен металла. Составы (в ат. %) некоторых включений данного типа, определённые по данным микро-рентгеноспектрального анализа, представлены в табл. 1. Высокое содержание углерода в этих включениях можно объяснить тем, что существенную их часть составляют карбиды вида МС2 (в частности, МоС2, \¥С2). Возможность существования такого типа фаз в подобных системах была продемонстрирована, например, в работе [2].
Результаты определения состава
Рассматривая данные этой таблицы, следует учитывать, что из-за относительно небольшого размера включений этого типа, при определении их состава вероятна ошибка, связанная с «зачерпыванием» лучом анализатора металла, находящегося за включением. В результате содержание никеля во включениях этого типа, вероятно, завышено, а углерода, молибдена, вольфрама и других элементов - занижено.
Зёрна металла исследованных образцов сплава неправильной формы, изометричны и имеют размеры 50-120 мкм. Состав металла (мае. %),
Таблица 1
карбидных включений (ат. %)
[С] [Мо] т [N4 [Сг1 [Со] ГП] [А1] [Ре] [V]
46,97 10,48 3,71 20,93 7,93 6,07 1,38 2,19 0,35 0
41,77 10,75 5,24 22,89 8,61 6,69 1,40 2,26 0,39 0
41,89 11,24 4,63 23,41 8,22 6,31 1,40 2,55 0,35 0
45,18 10,46 4,32 21,88 7,76 5,98 1,37 2,57 0,47 0
48,05 22,40 4,43 4,97 16,42 2,10 0,89 0 0 0,74
46,90 15,40 3,69 14,48 12,43 3,84 0,89 1,73 0 0,63
59,26 9,27 5,94 12,06 6,50 4,24 0,99 1,74 0 0
определённый на чистых от включений участках, представлен в табл. 2.
Для выплавки сплава ХН55ВМТЮО рекомендуется [1] использование открытых индукционых печей (ОИП) с последующим применением вакуумного дугового переплава (ВДП). Очевидным направлением увеличения уровня полезных свойств сплава является видоизменение процесса его выплавки.
Полученные результаты металлографического исследования позволяют сделать вывод о том, что карбидные включения оказывают более сильное влияние на свойства сплава, чем нитридные. Несмотря на то, что включения обоих видов, очевидно, образуются на стадии выплавки металла в ОИП, именно карбидные включения располагаются по границам зёрен сплава и оказывают влияние на его жаропрочность. Нитридные включения рассредоточиваются в объеме зёрен металла.
Меняя порядок присадки легирующих элементов, можно оказать влияние на процесс карби-дообразования, что должно сказаться на потребительских свойствах металла. В пользу этого предположения говорит разработанный ранее способ выплавки сплавов на основе никеля с присадкой металлического хрома в расплав [3,4]. По этой технологии на сплаве ХН75МБТЮ получили повышение технологической пластичности и длительной прочности, а на сплаве Х20Н80 рост пластичности сопровождался увеличением живучести.
Целью следующего этапа настоящей работы стало изучение влияния порядка присадки легирующих в ОИП на длительную прочность и механические свойства сплава ХН55ВМТЮО после ВДП.
Выплавку сплава ХН55ВМТЮО в открытой индукционной печи (ОИП) проводили по действующей технологии сплавления свежих материалов и собственных отходов по трем вариантам:
1)в завалку загружали отходы, никель, кобальт, вольфрам, металлический хром. В конце плавления добавляли в следующей последовательности феррованадий, молибден, алюминий и титан;
2) в завалку - отходы, никель, кобальт, вольфрам, в конце плавления - феррованадий, молибден, алюминий, титан и хром;
3) в завалку - отходы, никель, кобальт, вольфрам, хром, в конце плавления - феррованадий, алюминий, титан и молибден.
Таким образом, второй вариант отличается от первого (базового) тем, что хром добавляется в конце легирования, а не находится в завалке. Третий вариант выплавки отличается от первого очерёдностью присадки молибдена.
Разливку металла осуществляли на МПНЛЗ в кристаллизатор - круг диаметром 120 мм. Переплав электродов в ВДП проводили по действующей технологии на заготовку - круг диаметром 160 мм. Прокатку слитков на сортовую заготовку проводили на круг диаметром 38 мм. Изучение и контроль металла проводили в готовом сорте -круг диаметром 38 мм.
Химический состав образцов сплава после ВДП приведен в табл. 3.
Механические свойства и длительная прочность сплава ХН55ВМТЮО приведены в табл. 4.
Основной режим термообработки при испытании длительной прочности включал: нагрев до
Таблица 2
Результаты определения состава металла, свободного от включений (мае. %)
[А1] ГТІ1 [V] [Сг] [Fe] [Со] [Ni] [Мо] [W]
4,25 1,83 0 10,18 0,79 13,10 58,54 5,60 5,69
4,40 1,51 0,54 10,57 0,58 13,02 58,85 5,47 5,06
4,35 1,24 0 10,32 0,72 13,30 58,42 5,44 6,20
Таблица 3
Химический состав сплава ХН55ВМТКЮ
Вариант технологии Содержание элементов, мае. %
[С] [А1] [Ті] [V] [Сг] т [Со] [Ni] [Мо] [W] [Si] И [S]
1 0055 4,3 1,99 0,33 10,68 0,70 12,87 58,73 5,24 5,16 0,45 0,013 0,008
2 0,062 4,36 1,91 0,44 10,80 0,62 11,09 58,75 5,78 5,28 0,48 0,014 0,007
3 0,065 4,32 1,89 0,33 10,69 0,69 12,86 58,70 5,54 5,02 0,50 0,015 0,009
Таблица 4
Механические свойства и длительная прочность сплава ХН55ВМТКЮ
Вариант технологии Количество плавок, шт. Длительная прочность, м2 Механические свойства при 950 °С
Температура 900 °С, а = 2711 кДж/м2 ав, МПа а, % %%
1 2274 72,7 7095,2 18,85 29,9
2 6 79,2 7134,4 18,18 30,5
3 6 82,3 7114,8 22,3 31,4
Нормы по ТУ 70 5684 8 12
Ощепков Б.В., Жильцова Т.А.
1220 °С, выдержку в течение двух часов, охлаждение на воздухе; нагрев до 1050 °С в течение четырёх часов, охлаждение на воздухе; старение на воздухе при 850 °С в течение 8 часов.
Из представленных результатов видно, что изменение порядка присадки легирующих в ОИП коррелирует с улучшением свойств металла после ВДП. Однако роль легирующих элементов не одинакова. Изменение порядка присадки молибдена сказывается на свойствах металла сильнее, чем изменение способа добавления хрома в сплав.
Выводы
1. Проведено исследование состава, формы, характера расположения неметаллических включений в образцах сплава ХН55ВМТКЮ.
2. Экспериментально изучено влияние порядка присадки легирующих элементов, присаженных в открытую индукционную печь (ОИП) на свойства высокопрочного сплава ХН55ВМТКЮ, выплавленного по схеме ОИП + ВДП.
3. Установлено, что присадка металлического хрома и металлического молибдена при выплавке в ОИП в расплав (после введения алюминия и титана) положительно влияет на длительную прочность и другие механические свойства сплава ХН55ВМТКЮ в готовом сорте (после ВДП).
Работа проведена по научной программе Федерального агентства по образованию - «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», код проекта - 713 и при поддержке РФФИ, гранты №№ 07-08-12092 и 08-08-00416.
Литература
1. Масленков, С.Б. Жаропрочные стали и сплавы: справочное издание / С. Б. Масленков. - М. : Металлургия; 1983. -192 с.
2. Choi, J. Non-equilibrium synthesis of Fe-Cr-C-Walloy by laser cladding/ J. Choi, J. Mazumder // Journal of materials science. - 1994. — V 29. -P. 4460-4476.
3. Ощепков, Б.В. Совершенствование технологии производства сплава ХН75МБТЮ в электропечах / Б.В. Ощепков // Сталь. - 2002. -№ 5. -С. 27-29.
4. Разработка технологии производства сплава Х20Н80 с повышенной пластичностью и живучестью / Б.В. Ощепков, Е.А. Трофимов, Б.И. Леонович, А. В. Григорук // Сталь. — 2008. - № 8. -С. 43-46.
Поступила в редакцию 10 февраля 2009 г.
