CC BY
14
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 669.014.018.44
О. О. Педаш1, д-р техн. наук Е. I. Цивiрко2
1 ВАТ «Мотор-С1ч», 2 Нац1ональний техн1чний ун1верситет
м. Запор1жжя
КОМБ1НОВАНЕ МОДИФ1КУВАННЯ РАФ1НОВАНОГО ЖАРОМ1ЦНОГО СПЛАВУ ЗМ13У-В1
Дослгджували впливргзних способгв покращення структури та властивостей жаромщного ткелевого сплаву ЗМ13У-В1. Оцгнювали вплив високотемпературног обробки розплаву (ВТОР), поверхневого модиф1кування алюмгнатом кобальту та об 'емного модиф1кування цирконгем (-0,15 %, мас.) на структуру та властивостг як окремо, так I в комплексI. Встановлено, що найкращий вплив на структурний стан та мехатчт властивостг сплаву ЗМ13У-В1 чинить об'емне та комбгноване (з поверхневим алюмтатом кобальту) модиф1кування цирконгем розплаву тсля ВТОР.
Серед методiв покращення структурно! одно-рщносп жаромщних сплавiв певного розповсюджен-ня набула високотемпературна обробка розплаву (ВТОР). Вщомо, що розплав тсля ВТОР характери-зуеться бшьшим переохолодженням перед кристалiза-щею (40-50 °С порiвняно з 7-10 °С при звичайнш технологи) [1]. Це явище може бути пояснено двома причинами: бшьшою однорвдшстю розплаву перед кристалiзацiею й високим його очищениям ввд неме-талевих включень. У зв'язку з вiдсутнiстю в науковш лiтературi даних з модифiкувания рафшованих тке-левих сплавiв були проведет спещальт дослiджения.
У цiй робоп вивчали вплив модифiкувания попе-редньо рафшованого розплаву на структуру й власти-востi виливк1в зi сплаву ЗМ13У-В1.
Розглядали 4 варiаити модифiкування двох типiв шихти - звичайно! й пiсля ВТОР: 1 - без модифiкуваи-ия, 2 - об'емне модифiкування цирконiем, 3 - поверх-неве модифiкуваня алюмтатом кобальту, 4 - комбiно-ване модифiкувания (одночасно цирконiем i алюмша-том кобальту).
Сплав ЗМ13У-В1 (елементи ливниково! системи та первинний брак виливк1в) тсля попереднього очищен -ия проходив ВТОР на установщ ВИП-10 за наступною технологiею: пiсля нагрiваиня розплаву до температу-ри 1600±20 °С й при залишковому тиску 0,66-1,33 Па в робочий проспр печi вводили аргон марки А до тиску 1-104 Па, нагрiвали розплав до температури 1800±20 °С й витримували при цiй температурi 10 хв. Надалi пони-жували температуру металу до 1600±20 °С й заливали у металеву форму для отримання заготовки 0 60 мм й вагою -10 кг, ввд верхньо! частини яко!, вiдрiзали метал з усадковою раковиною вагою 2-2,2 кг.
На установщ УППФ-3М шихту й заготовку вагою -8 кг розплавляли в основному тигл^ розплав назвали до температури 1580±10 °С й за 1,5-2 хв. до зли-вания присаджували крiзь заваитажувальний пристрiй, загорнутий у алюмшеву фольгу чистий металевий цир-конiй (0,10-0,15 %) на дзеркало металу. При залишковому тиску в печi 0,665 Па й температур розплаву 1550 °С заливали електрокорундовi керамiчнi форми, отриманi за витоплюваними моделями й нагрiтi до 950±10 °С. Характерною особливiстю цих форм була наявтсть у першому шарi алюмiнату кобальту.
В1д дослвдного металу були пiдготовленi зразки для проведения хiмiчного й газового аиалiзiв, вивчення макро- й м^оструктури, визначения мехаиiчних властивостей при шмнатнш температурi i тривалiй мiциостi.
Хiмiчний склад визначали методами спектрального й хiмiчного аналiзiв. Вмют кисню й азоту визначали на газоаналiзаторi «0М-900» фiрми «ЕЬТКА» методом вакуумплавлення.
Макроструктуру виявляли методом хiмiчного травления в реактивi, що складався з 80 %НС1 й 20 %Н202.
Мiкроструктуру сплаву вивчали тсля термiчноl обробки (нагрiвания до температури 1180±10°С, вит-римка 4 години, зниження температури до 1050±10 °С, витримка 2 години, охолодження - на повiтрi + Старь ния 850±10°С, витримка 16 годин) методами яшсно! й шльшсно! (метод Л та П ГОСТ 1778-70) металографп на нетравлених та протравлених електролггично в ре-активi Р18 (10 г лимонно! кислоти, 10 г арчанокисло-го амонiю й 1200 мл. води) шлiфах.
Мжроструктуру сплаву вивчали також за допомо-гою растрового електронного мiкроскопа 18ЫТ-300 при збiльшеннi х 10000.
© О. О. Педаш, Е. I. Цив1рко, 2008 8
нижче вiд норм), хромом (нижче норм пiсля ВТОР), мол1бденом (переважно вище ввд норм). У дослвджува-них варiантах отримали за розрахунком ~ 0,14-0,18 % цирконiю. Модиф^вання цирконieм сприяло помггао-му очищенню сплаву вiд азоту (його вмют знизився майже у 5 разiв) (рис. 1). Попередня ВТОР знизила його вмют у 2-2,5 рази. Встановлено, що дослщжу-ванi технологи не вплинули на вмiст кисню, який зна-ходився на рiвнi 22-42 ррт.
Таблиця 1 - Хiмiчний склад сплаву ЗМ13У-В1 дослщних варiантiв модифiкування
Шихта Вар1ант модифжування Масова частка елеменив, %
С Ч 10-2 Сг Со Мо А1 Л ЫЬ В Ч 10-3 гг Ч 10-3
Звичайна Без модифжування 4,4 12,8 5,08 1,29 7,28 3,93 4,16 0,88 17 8,1
Об'емне гг 8,0 13,0 5,68 1,12 7,26 4,07 4,20 0,43 21 144
Поверхневе СОО-А1203 4,5 13,1 5,04 1,26 7,27 3,88 4,09 0,88 17 7,0
Комбшоване гг +СОО-А1203 8,2 13,4 5,65 1,10 7,21 3,70 4,06 0,43 21 142
Июля ВТОР Без модифжування 5,8 11,7 4,84 1,29 7,68 3,75 4,05 1,34 20 6,8
Об'емне гг 1,8 12,3 4,15 1,34 7,38 3,38 4,12 1,31 21 177
Поверхневе СОО-А1203 5,9 11,3 4,79 1,26 7,47 4,17 4,14 1,34 20 6,5
Комбшоване гг +СОО-А1203 2,0 11,9 4,09 1,32 7,20 3,73 4,19 1,31 21 175
Норми Н ТД 7,0 15,0 12,5 14,0 4,0 6,0 0,5 1,25 6,5 8,0 2,8 4,0 4,0 5,5 - -
Вмкт домшок, %: Si = 0,11-0,15; Mn = 0,02-0,03; Bi, Sn, S, P, <0,0005
О ИЫ
120
1 2 3 4 5 6 7 8
Вар1ант технолог^
Рис. 1. Вмют азоту й кисню в сплав1 ЗМ13У-В1 дослщних вар1ант1в модиф1кування:
1 - без модиф1кування; 2 - поверхневе; 3 - ВТОР; 4 - ВТОР + поверхневе; 5 - об'емне; 6 - комбшоване; 7 - ВТОР + об'емне; 8 - ВТОР + комбшоване
Мехашчт властивосп сплаву ЗМ13У-В1 при 20 °С
визначали на розривн^ маш и н i Ей М -30 вiдповiдно до ГО СТ 1497-85. Тривалум^н^тьвипробовували на маш инi А И М А -5-2 за ГОСТ 10145-81 при 850 ° С й напруженнi 350 М П а , а також при 800 ° С й напруженнi 420 М П а .
Х iмiчний склад сплаву ЗМ I 3 У - В1 дослiдних варi -антiв повнiстю вiдповiдав норм ам Н ТД за кобальтом , вольфрам ом , алю м i н i е м , титаном ( табл . 1). С постерi -г а л о с я вiдхилення в ! д норм за вуглецем ( переваж но
Дослщженням макроструктури установили, що по-верхневе i комбiноване модифiкування сприяло знач-ному зниженню середнього розмiру макрозерна у вах дослiджуваних варiантах (табл. 2). При цьому зерна мали рiвноважну форму (рис. 2). Шсля ВТОР на пери-ферп виливка спостерiгали деяку к1льк1сть стовбчас-тих зерен. Зi збiльшенням товщини виливка ця дiя була меншою. Шсля поверхневого модифiкування спосте-рiгали спрямоваш до центру виливка стовбчастi зерна. Бшьш сильне подрiбнення спостертали пiсля ком -бiнованого модиф^вання обох видiв шихти. Серед варiантiв без поверхневого модифiкування бiльш сильне подрiбнення спостерiгали пiсля об'емного модифь кування цирконieм звичайно! шихти та шсля окремо! ВТОР. При цьому в структурi виявляли рiзнозер-нистiсть, коли всерединi виливка фжсували крупнi зерна, а ближче до краю - дрiбнi.
Така дiя пояснюеться здатнiстю цирконiю покра-щувати стан меж зерен (через свш бiльший атомний радiус, шж у нiкеля), а частинки алюмшату кобальту з поверхнi керамiчноl форми слугують додатковими центрами кристалiзацil. Такий комплекс модифшуван-ня сприяе збшьшенню швидкостi утворення центрiв кристалiзацil. Про це також сввдчать данi про вщсташ мiж осями дендритiв другого порядку. Так, у нерафь нованому сплавi спостерiгали 1х зменшення з 47,5 до 30,0 мкм шсля комбшованого модифiкування (табл. 2). У рафшованому розплавi цей параметр не зазнав сут-тевих змiн.
Мжроструктурний аналiз показав, що в структурi сплаву ЗМ13У-В1 основними фазами були: у-твердий розчин на основi шкелю (матриця сплаву), штермета-лiдна у'-фаза типу №3(Л1,Т1), карбiди типу МеС, кар-бонiтриди Ме(С,К), а також надлишкова евтектична (у-у')-фаза.
Металографiчними дослвдженнями встановили, що у варiантi без модиф^вання карбiди являли собою дабт частинки iз середшм розмiром 4,13 мкм (табл. 2), сферично! i шрифтово! морфологи. Розподiленням карбiдiв за розмiрними групами встановили пониже-ну к1льк1сть карбiдiв пiсля ВТОР i модифiкування цир-конiем (табл. 3). У цьому випадку пiсля комбшованого модиф^вання фiксували ~ 60 % карбщв iз розмi-рами меншими 1 мкм, що в свою чергу викликало зменшення !х середнього розмiру, що можливо пов'я-зано iз пониженим вмютом вуглецю внаслiдок його ви-горяння при ВТОР) (табл. 1). В шших варiантах карб-iди являли собою переважно сферичнi включения i рiвномiрно розподiлялися за розмiрними групами. Спостертали збiльшения приблизно у 1,5 рази середнього розмiру i iндексу пiсля модифiкування ииркошем нерафшованого розплаву (табл. 2).
Евтектична (у-у')-фаза пiсля термiчноl обробки i ВТОР була виявлена на межах зерен переважно витяг-нуто! морфологи у виглядi окремих конгломерапв. У нерафiнованому сплавi вона являла собою округлi включення. Об'емне модиф^вання цирконiем спри-чинило значне зменшення и кiлькостi та середнього
Таблиця 2 - Розмiри структурних складових у сплавi ЗМ13У-В1 дослщних варiантiв модифiкувания
Вар1ант модифжування Величина макрозерна, мм Ввдстань м1ж осями дендрит1в другого порядку, мкм Карбщи (у-у')-фаза у'-фаза
□ 10, мм 0 25, мм 1ндекс, х10"6 Серед- нш розм1р, мкм 1ндекс, х 10-6 Серед- нш розм1р, мкм 1ндекс, х 10-6 Серед- нш розм1р, мкм
Звичайна Без модифжу-вання 1,04 1,71 35 - 60 47,5 407,2 4,13 608,3 37,39 504,0 0,281
Об'емне гг 0,63 1,52 30 - 45 37,5 556,8 6,11 164,0 29,63 596,0 0,253
Поверхневе СоО-Л1203 0,45 1,21 30 - 45 37,5 316,8 3,77 681,6 31,36 565,0 0,243
Комбiиоваие гг +СоО-Л1203 0,41 1,20 22 - 45 30,0 568,8 6,41 569,0 32,20 520,0 0,269
Шсля ВТОР Без модифжу-вання 0,78 1,22 20 - 40 30 379,8 6,80 1310,0 32,17 566,0 0,256
Об'емне гг 0,90 1,59 30 - 45 30,0 99,4 3,42 1359,3 42,65 527,0 0,363
Поверхневе СоО-Л1203 0,46 1,16 25 - 50 37,5 417,8 4,70 970,6 30,50 522,0 0,269
Комбiиоваие гг +СоО-Л1203 0,45 0,95 22 - 45 33,5 69,0 2,2 928,3 35,16 345,0 0,359
Примтка. Чисельник — мтшальне й максимальне значення; знаменник — середне значення
розмiру (табл. 2). Пiсля ВТОР спостерпали суттеве зростання И вдексу (в 1,5-2 рази). Середнiй розмiр (у-у')-фази помiтно зменшувався пiсля об'емного модифiкування цирконiем i поверхневого модиф1ку-вання рафiнованого розплаву.
У струкгурi сплаву виявили скупчення нiтридних i карбонiтридних включень, що не покращувало струк-турну однорiднiсть сплаву. Помгтному зменшенню !х вмiсту сприяла окрема ВТОР i модифiкування циркошем нерафiнованого розплаву (табл. 3). У цих ви-падках фiксували 100 % карбонiтридiв з розмiрами 15 мкм. Установили, що тсля поверхневого модиф1ку-вання рафшованого розплаву бiльше 20 % карботтрида було з розмiрами меншими 1 мкм, внаслщок чого зменшувався !х середнiй розмiр з 2,0 мкм до 1,6 мкм.
Електронно-мжроскошчними дослщженнями вив-чали iнтерметалiдну у'-фазу. У нерафшованому сплавi вона являла собою прямокутш блоки переважно з чо-тирьох частинок. При цьому спостерiгали зменшення !х середнього розмiру (табл. 2). Рафiнуванням отри-мали частки переважно округло! морфологи в металi всiх варiантiв. Середнiй розмiр суттево зростав пiсля модифiкування циркошем, а iндекс - зменшувався.
Досл1дженням механiчних властивостей установили, що зразки пiсля ВТОР характеризувалися тдви-щеними границею мiцностi та текучосп (табл. 4). Кра-ще сполучення характеристик пластичностi та удар -но! в'язкосл спостерiгали пiсля поверхневого модиф1вування.
Порiвняльний аналiз результапв випробування на тривалу мiцнiсть при стандартних умовах (ст = 350 МПа, Т = 850 °С) показав, що ВТОР та наступне модифшування сприяе пiдвищенню часу до руйнування (табл. 4). Бiльший час до руйнування отримали модиф1куванням цирконiем (315 годин - тсля об'емного, 275 - тсля комбшованого).
У ходi дослщження проводили випробування при нестандартних умовах (ст = 420 МПа, Т = 800 °С). Бшьший час до руйнування отримали тсля модиф1ку-вання цирконiем нерафiнованого розплаву. Комбшо-ване модифiкування з циркошем сприяло тдвищен-
ню т840200 рафшованого розплаву.
Таким чином, проведет дослщження дозволили сформулювати основнi висновки:
1. Внаслвдок ВТОР нiкелевого сплаву ЗМ13У-В1 зни-зилася концентрацiя азоту в ньому. Подальшому очи-щенню сплаву в1д азоту сприяли поверхневе модиф1ку-вання та об'емне модифшування циркошем;
2. Поверхневе модиф1кування алюмiнатом кобальту помгтно зменшило розмiри макрозерна, яке було найбшьш дрiбним при комбшованому модиф1кувант.
3. Модифшування циркошем сприяло зменшенню розмiрiв дендритних комiрок. При цьому у нерафшованому сплавi спостерпаеться зменшення вмiсту карбон-iтридiв, а також збiльшення розмiрiв карбiдiв та штер-металiдно! у'-фази (особливо у рафiнованому сплавi). Розмiр евтектично! (у-у')-фази помiтно зменшився тсля поверхневого модиф1кування.
Таблиця 3 - Вм1ст та розподiлення за розмiрними групами карбiдiв та карбонiтридiв у сплавi ЗМ13У-В1 дослiдних варiантiв модиф1кування
Шихта Вар1ант модифжуван-ня Карб1ди Карбоштриди
Кiлькiсть включень на 100 мм2 площ1 шл1фа Юлькють включень на 100 мм2 площi шлiфа Вмют включень, об' ем-ний %, 10-5
Усьо-го У тому чи^ за розмiрними групами, мкм Усьо-го У тому чи^ за розмiрними групами, мкм Сере-днш розмiр вклю-чень, мкм
< 1,0 1,02,5 2,65,0 5,110,0 10,120,0 < 1,0 1,02,5 2,65,0 5,110,0
Зви-чайна Без модиф1ку-вання 984 100,0 156 16,0 286 29,0 264 27,0 224 23,0 54 5,0 13255 100,0 669 5,0 8664 65,4 3922 29,6 - 2,0 5574
Об'емне 2г 910 100,0 56 6,0 198 22,0 202 22,0 318 35,0 136 15,0 6992 100,0 — 5411 77,4 1581 22,6 - 2,0 2764
Поверхневе СоО-Л1203 840 100,0 174 21,0 244 29,0 212 25,0 174 21,0 36 4,0 17784 100,0 4803 27,0 8330 46,8 4651 26,2 - 1,8 6227
Комб1новане гг +СоО-Л1203 886 100,0 36 4,0 182 21,0 232 26,0 276 31,0 160 18,0 5137 100,0 - 4347 84,6 760 14,8 30 0,6 1,8 1836
Шсля ВТОР Без модиф1ку-вання 558 100,0 30 5,0 64 12,0 156 28,0 206 37,0 102 18,0 5412 100,0 - 3770 69,7 1642 30,3 - 2,1 2372
Об'емне гг 290 100,0 64 22,0 86 16,0 126 43,0 54 19,0 - 7124 100,0 2584 36,3 3800 53,3 740 10,4 2,7 6860
Поверхневе СоО-Л1203 888 100,0 90 10,0 218 25,0 266 30,0 264 30,0 50 5,0 12525 100,0 2614 21,0 8269 66,0 1642 13,0 - 1,6 3468
Комб1новане гг +СоО-Л1203 312 100,0 184 59,0 30 9,0 52 17,0 86 15,0 - 3313 100,0 - 1277 38,6 1246 37,6 790 23,8 2,9 3845
Примтка. Чисельник — ктьюсть включень; знаменник — вiдносний процент
4. Потники мщносп при кiмнaтнiй темперaтyрi ( ств, ст02) серед дoслiджyвaниx теxнoлoгiй збiльшyвaлися пiсля ВТОР. Kрaще спoлyчення пoкaзникiв мiцнoстi тa плaстичнoстi, a тaкoж yдaрнoï в'язкосп зaбезпечyвaлoсь пoверxневим мoдифiкyвaнням рaфiнoвaнoгo сплaвy. Високу тривaлy мщщсть мaв сплaв, мoдифiкoвaний цир-кoнieм. Ця тенденцiя простежуеться як при стaндaрт-ниx, тaк i нестaндaртниx yмoвax випрoбyвaння.
5. Викорисгання oднoрiднoгo рaфiнoвaнoгo метa-лу пoкрaщyвaлo структурний стaн сплaвy, пiдвищyвa-ло меxaнiчнi влaстивoстi й ефектившсть нaсгyпнoгo мoдифiкyвaння. Об'емне тa комбшогане модиф^ган-ня циркoнieм рaфiнoвaнoгo сплaвy требa визнaти оп-тимaльним вaрiaнтoм теxнoлoгiï, якa зaбезпечye бiльший рiвень влaстивoстей виливк1в iз жaрoмiцнoгo сплaвy ЗMI3У-ВI.
Рис. 2. Maкрoстрyктyрa yдaрниx зрaзкiв зi сплaвy ЗM[3У-В[ тсля мoдифiкyвaння, x 4: звичaйнa шиxтa: а - без мoдифiкyвaння, б - об'емне, в - пoверxневе, г - кoмбiнoвaне; шиxтa тсля ВТОР: д - без мoдифiкyвaння, ж - об'емне, з - пoверxневе, к - кoмбiнoвaне
Таблиця 4 - Мехашчт властивосп та тривала мiцнiсть сплаву ЗМ13У-В1 дослiдних BapiaHTiB модифiкування
Шихта Вapiaнт модифжування ае, МПа а02,МПа 5, % V, % KCU, Дж/см2 800 т420 , г (середне) _850 т350 , г
Звичайна Без модифжування 1037-1085 1061 927-1014 970,5 8,0-9,2 8,6 8,2-12,0 10,1 15,0-16,3 15,6 637,5 254-260 257
Об'емне Zr 990-1081 1035,5 909-931 920 6,4-8,0 7,2 7,0-10,5 8,7 13,8-15,0 14,4 739 144-199 171,5
Поверхневе Со0-А1203 1071-1080 1075,5 960-963 961,5 7,2-8,8 8,0 8,2-12,3 10,2 13,8-15,0 14,4 634 212-218 215
Комбшоване Zr +Со0-А1203 944-1005 974,5 860-909 884,5 3,2-6,0 4,6 6,6-6,6 6,6 10,0-13,8 11,9 739,5 180-262 221
Шсля ВТОР Без модифжування 1060-1110 1014-1018 8,0-8,0 8,2-11,8 17,5-20,0 454,5 160-251
1085 1016 8,0 10,0 18,7 205,5
Об'емне Zr 1049-1067 1058 942-952 947 8,0-9,2 8,6 9,3-11,6 10,4 16,3-16,3 16,3 662 304-326 315
Поверхневе Со0-А1203 1090-1136 1113 940-942 941 8,4-9,6 9,0 9,7-11,7 10,7 18,8-21,3 20,0 529,5 248-268 258
Комбшоване Zr +Со0-А1203 1014-1074 1044 913-916 914,5 7,2-7,6 7,4 9,7-12,0 10,8 17,5-18,8 18,1 689 265-286 275,5
Норми НТД > 834 > 756 > 3 - - - ?100
Примтка. Чисельник — мтшальне й максимальне значення; знаменник — середне значення
Перелж посилань
1. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М. и др. Технологичес кое обеспечение эксплуатационных характеристик де
Исследовали влияние различных способов улучшения структуры и свойств жаропрочного никелевого сплава ЗМИЗУ-ВИ. Оценивали влияние высокотемпературной обработки расплава (ВТОР), поверхностного модифицирования алюминатом кобальта и объемного модифицирования цирконием (~ 0,15 %, масс.) на структуру и свойства как отдельно, так и в комплексе. Установлено, что наилучшее влияние на структурное состояние и механические свойства сплава ЗМИЗУ-ВИ оказывает объемное и комбинированное (с поверхностным алюминатом кобальта) модифицирование цирконием расплава после ВТОР.
The influence of different ways of structure and properties improvement of nickel-base superalloy ЗМИ3У-ВИм>еге studied. The influence of high-temperature melt processing (HTMP), surface modification by cobalt-aluminate and volumetric modification by zirconium (~0,15%, mas.) on structure and properties, separately and in complex, were estimated. It is found that the best influence on structured condition and mechanical properties of the alloy ЗМИЗ У-ВИ was achieved by volumetric and combined (with surface cobalt-aluminate) modification of melt with zirconium after HTMP.
талей ГТД. Лопатки турбины. - Часть 2. - Монография. - Изд. 2-е, переработанное и дополненное, г. Запорожье, изд. ОАО «Мотор-Сич», 2007. - 496 с.
Одержано 12.04.2008
