CC BY
24
УДК 669.046.516
Е.Н. Ерёмин, Ю.О. Филиппов, Д.Г. Кноль, В.К. Сумленинов Омский государственный технический университет, г. Омск
ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА ДИСПЕРСИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ МАТРИЦЫ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА
Никелевые жаропрочные сплавы имеют специфическую структуру, сложный химический и фазовый состав. Формирование структуры при кристаллизации начинается с образования дендритной ветви, которая берет начало от зародыша или затравки, и по мере кристаллизации, своими многочисленными ветвлениями прорастает на весь объем расплава. При встрече с препятствием отдельно взятый дендрит расщепляется [1]. Таким препятствием может служить твердое включение, а также область повышенной концентрации, искусственно созданной в расплаве. При модифицировании ввод в расплав дисперсной твердой фазы искажает локальное температурное и концентрационное поле [2], что обусловливает нарушение столбчатой структуры. Если плотность дисперсной фазы велика, то вместо дендритной структуры формируется почти изотропная поликристаллическая структура, составленная из фрагментов раздробленных дендритов. Таким образом, ввод дисперсной фазы, обусловливающий создание в расплаве включений с концентрацией и температурой, отличными от основного расплава не дает возможности формирования столбчатой структуры. При этом изменение градиента температур и скорости перемещения фронта кристаллизации существенным образом влияет не только на дендритную структуру, но и на морфологию и топографию составляющих и фазовый состав жаропрочных сплавов.
В качестве объекта для изучения вышеописанных процессов был выбран хромоникелевый сплав Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б. Отливки получали в вакуумной индукционной установке У-177-7М. Для модифицирования использовали порошки карбонитрида титана и титана с никелем [3]. Использовали порошки плазмохимического синтеза дисперсностью около 100 нм.
Сплав Х10Н60К10В10Ю5Т3М2Б относится к группе литейных сложнолегированных многокомпонентных жаропрочных сплавов. Основными упрочняющими фазами являются карбиды и у‘-фаза, представляющая собой интерметаллид (Ni, Co)3(Al, Ti). Поэтому, факторами, определяющими качество и служебные свойства жаропрочных сплавов, являются фазовый состав, степень однородности, морфология и топография упрочняющих фаз [4].
В микроструктуре литого немодифицированного металла включения карбидов в виде каркасов сплошной скелетообразной формы, называемых «китайским шрифтом», располагаются преимущественно по границам зерен и имеют очень большую протяженность. Карбиды подобной морфологии оказывают отрицательное влияние на свойства никелевых сплавов [4].
Введение в сплав 0,2 % модификатора приводит к существенному изменению морфологии и топографии карбидной фазы. Карбиды приобретают компактную равноосную форму и равномерно распределены по объему зерна. Характер расположения карбидов в матрице сплавов, показаный на рис. 1, получен на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss EVO50.
Видно, что в немодифицированном сплаве карбиды протяженной формы достигают размеров в 50 мкм. В модифицированном сплаве карбиды компактной формы имеют размер 4-8 мкм.
Для установления химического состава карбидов проведены исследования на микроанализаторе EDS X-Act (Oxford Instruments) (рис. 2).
а) б)
Рис. 1. Структура карбидов сплава: а - немодифицированного (х4500); б - модифицированного (х2000)
а) б)
Рис. 2. Спектры поглощения областей облучения карбидов, указанных на рис. 1: а - немодифицированного; б - модифицированного сплавов
Данные спектров показывают, что в немодифицированном сплаве карбид содержит значительно большее количество углерода, что может свидетельствовать о более хрупкой карбидной фазе, и меньшее количество основных легирующих элементов, таких как титан, хром, ниобий и вольфрам, чем в модифицированном сплаве. Это можно объяснить тем, что при модифицировании на частицах карбонитрида титана в сплав вводится оболочка из титана, которая и гетерогенизирует расплав по углероду.
Образование большого количества компактных карбидов можно объяснить увеличением степени переохлаждения расплава при введении в него модификатора, высокодисперсные частицы которого являясь центрами кристаллизации, повышают скорость охлаждения металла. Такая морфология и топография карбидной фазы измельчают структуру и повышают химическую стабильность у-матрицы, что должно оказывать благоприятное воздействие на длительную прочность сплава.
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 [5]. При этом, на термическую стабильность литого металла изделий из жаропрочных сплавов огромное влияние оказывает ликвация легирующих элементов. В связи с этим были проведены исследования изменения рас-
Спектр 1
і
Сг У-/
1 і т
д, 1 1
н Иишккл2^..^ Ф
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Полная шкала 231 имп. Курсор: 0.000_________кэВ|
360
пределения основных легирующих элементов в частицах у‘-фазы и межчастичных пространствах при модифицировании сплава ЖС6У.
Исследования проводили на фольгах с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100 «JEOL» с энергодисперсионным анализатором Inca-250. Общая картина распределения легирующих элементов сканируемого участка поверхности фольги не-модифицированного и модифицированного сплавов приведены на рис. 3. Химический состав сканируемых участков приведен в таблице.
а) б)
Рис. 3. Общая картина распределения легирующих элементов немодифицированного (а)
и модифицированного (б) сплавов
Химический состав сканируемых участков
Таблица
Л! 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
В частицах у‘-фазы немодифицированного сплава резко возрастает концентрация никеля, более плавно возрастают концентрации титана, алюминия и ниобия, резко падает концентрация хрома. 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.
В частицах у‘-фазы модифицированного сплава наряду с алюминием и титаном возрастает концентрации кобальта, никеля и хрома. В межчастичных пространствах количество никеля, хрома и кобальта уменьшается.
Таким образом, 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 немодифи-цированным сплавом.
Таким образом, структура модифицированного сплава состоит из двух когерентно связанных фаз: у -твердого раствора и дисперсной у‘-фазы кубической формы, однородных по
361
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. Одновременно со стабилизацией упрочняющей у‘-фазы улучшается морфология и топография карбидных фаз. 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 жаропрочного сплава приводят к увеличению времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность в 2,6-3,4 раза, что может существенно повысить долговечность лопаток газотурбинных двигателей.
Библиографический список
1. Федоров, О. П. О механизме преобразования ветвей дендритов двухкомпонентного сплава / О. П. Федоров, Д. Е. Овсиенко, Н. Б. Кривошей // Металлофизика. - 1987. - Т. 9., № 2. - С. 68-75.
2. Кириевский, Б. А. Влияние концентрационных и температурных неоднородностей в расплаве на изменение литой структуры / Б.А. Кириевский [и др.] // Литейное производство. - 1989. - № 3. - С. 3-4.
3. Исследование свойств порошка карбонитрида титана, полученного плазмохимическим синтезом / Е. Н. Еремин [и др.] // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2010. - № 1(87). - С. 27.-31.
4. Прогнозирование влияния структурных факторов на механические свойства жаропрочных сплавов / А. В. Логунов [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1981. - № 6. - С. 16-20.
5. Горностырев, Ю. Н. Роль внутренних напряжений в эволюции морфологии частиц у‘-фазы в никелевых сплавах при высокотемпературной ползучести [Текст] / Ю. Н. Горно-стырев, Н. Д. Бахтеева // Физика металлов и металловедение. - 1993. - Т. 76, Вып. 6. -С. 940-948.
