Разработка режимов высокотемпературной обработки жидких жаропрочных никелевых сплавов на основе экспериментальных и расчетных показателей

Бесплатный доступ

С использованием результатов парного корреляционного анализа показана качественная оценка влияния химического состава жаропрочных никелевых сплавов на структурные изменения расплавов и параметры высокотемпературной обработки расплава.

Жаропрочные никелевые расплавы, физические свойства, структура, расчетные показатели

Короткий адрес: https://sciup.org/147156812

IDR: 147156812

Текст научной статьи Разработка режимов высокотемпературной обработки жидких жаропрочных никелевых сплавов на основе экспериментальных и расчетных показателей

Современные жаропрочные сплавы представляют собой сложные композиции различных фаз, состоящих из 10 и более элементов. Базовой основой являются хромоникелевые растворы. Их упрочнение осуществляется путем введения легирующих элементов (вольфрама, молибдена, кобальта, ниобия и других), приводящих к искажению кристаллической решетки твердого раствора.

Однако в наибольшей степени повышение жаропрочности достигается при легировании титаном, алюминием и ниобием, способствующими созданию дисперсионной гетерогенной структуры, состоящей из γ -твердого раствора (матрица) и упрочняющей γ′ -фазы Ni 3 (Al,Ti,Nb).

Основная упрочняющая γ′ -фаза выделяется как в дендритах γ -твердого раствора, так и в междендритном пространстве. Подобие решеток приводит к возникновению частично когерентной связи между выделениями γ′ -фазы и матрицы. Помимо твердорастворного, приведенный дисперсионный механизм также является основным упрочни-телем изделий.

Наличие в составе сплава углерода и азота также способствует созданию упрочняющих фаз, в число которых входят карбиды типа МС, карбонитриды на основе Ti(C,N) х и хромистые карбиды на основе Cr 23 C 6 и Cr 7 C 3 , легированные другими элементами. Влияние этих фаз при низких температурах (до 900 °С) незначительно, но при высоких температурах эксплуатации изделий (1000 °С и выше) их роль возрастает в связи с растворением при таких температурах основной упрочняющей γ′ -фазы.

При затвердевании жаропрочных сплавов в последнюю очередь выделяется многофазная эвтектика. Легированность ее вольфрамом, молибденом, танталом, рением и другими элементами, обладающими высокой температурой плавления, способствует росту температуры солидус, а следовательно создает предпосылки к повышению эксплуатационных температур изделий.

К основным недостаткам жаропрочных сплавов относятся, прежде всего, потеря пластичности при увеличении степени легированности, склонность к охрупчиванию при высоких температурах и длительных нагрузках, большие колебания значений длительной прочности, обусловленные неравномерным распределением элементов по объему матрицы и фаз. Отмеченные недостатки, как правило, связаны с дефектами исходного слитка и отливок и, как правило, не устраняются последующей обработкой.

С целью повышения качества литья в различных отраслях промышленности используется технология выплавки с термовременной обработкой расплава (ВТОР). Температурные и временные параметры такой технологии разрабатываются на основе анализа политерм физических свойств жидкого и показателей качества твердого металла [1].

Для жаропрочных сплавов наиболее информационными являются политермы удельного электросопротивления (ρ). Используемая методика изучения ρ позволяет проследить характер изменения структуры сплавов до плавления, в процессе фазового перехода твердого металла в жидкое состояние и структурные особенности расплавов вплоть до 2000 °С. Как правило, данные по электросопротивлению хорошо коррелируют с характером изменения кинематической вязкости, поверхностного натяжения, плотности, магнитной восприимчивости и с результатами рентгеноструктурных исследований жидкого металла [1, 2].

Типичный вид зависимости ρ( t ) жаропрочных сплавов приведен на рис. 1. При плавлении изменения в структуре сплава приводят к скачкообразному росту ρ. В процессе нагрева от температуры окончания плавления ( t л) до температуры t ан происходит плавное увеличение электросопротивления, обусловленное возрастанием амплитуды тепловых колебаний атомов и их рассеивающего фактора. Величина Δ t ту = t ан – t л характеризует термическую устойчивость первичной структуры расплава после плавления.

Резкое возрастание значений удельного электросопротивления происходит после достижения расплавом температуры tан (температуры анома- лии), вплоть до температуры ветвления политерм (температуры гистерезиса tг). В интервале температур tан-tг интенсивный рост р связан с переходом структуры расплава в равновесное состояние, соответствующее элементному составу сплава и сопровождаемое усилием межатомных связей. Однако только нагрев до критической температуры (tк) завершает перестройку структуры в равновесное состояние и устраняет возможность ее возврата в исходное состояние.

Рис. 1. Типичный вид температурной зависимости удельного электросопротивления жаропрочного сплава

Величина изменения электросопротивления в интервале температур t ан t г может служить количественным показателем структурной перестройки в виде коэффициента интенсивности K ин = А р t , где А р есть разница между величинами р при t ан на политермах охлаждения и нагрева, а А t = t г- 1 ан .

Экспериментальные данные зависимости электросопротивления от температуры некоторых из изученных сплавов приведены на рис. 2. Из графиков видно, что структура каждого сплава обладает своими особенностями, выраженными через различия температур t ан, t г, t к; температурных интервалов t ан t л, t г t ан и коэффициентов интенсивности изменения структуры расплавов.

Рис. 2. Политермы удельного электросопротивления жаропрочных сплавов при нагреве и охлаждении

Полученные результаты используются при разработке режимов высокотемпературной обработки расплавов (ВТОР) [1, 2] и построении физи- ческих моделей структурообразования сплавов. К сожалению, обсуждаемые параметры зависят не только от типа исходных шихтовых материалов, технологий плавки, разливки, кристаллизации, термической обработки и других металлургических факторов. Поэтому создание математических моделей и разработка полиномиальных уравнений, несомненно, имеют важное значение.

Результаты решения этих задач позволят устранить зависимость разработчиков технологий на основе ВТОР от проведения непростых экспериментальных исследований, оценить вклад различных производственных факторов при помощи корреляционных коэффициентов и выделить из всей технологической цепочки изготовления изделий наиболее узкие места.

Совокупную сложность каждой задачи можно разделить на более простые этапы. В частности, представляется интересной известная методика парных корреляций. Такой подход позволит, как минимум, определить направление влияния различных факторов на обсуждаемые параметры. Например, анализируя результаты экспериментальных исследований жаропрочных сплавов, содержащих в своем составе 0,002–0,200 мас. % С, удалось установить зависимость аномальных температур ( t ан ) и температур гистерезиса ( t г ) от концентрации углерода (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость аномальных температур ( t ан ) и температур гистерезиса ( t г ) политерм удельного электросопротивления жаропрочных сплавов от концентрации углерода

Причем наиболее значительное влияние этого фактора наблюдается для сплавов, содержащих до 0,05 мас. % С. Поэтому для дальнейшего корреляционного анализа из 42 изученных жаропрочных сплавов использовали данные только по 14 сплавам, имеющим концентрацию углерода в интервале 0,60–0,75 ат. %. Содержание контролируемых элементов приведено в табл. 1, а изменение величин характеристических температур приведено в табл. 2.

Проведенный парный корреляционный анализ основан на предположении о существовании некоторой функциональной зависимости характерных температур и температурных интервалов, отраженных на политермах электросопротивления (см. рис. 1), а также коэффициента интенсивности изменений структуры сплавов ( K ин ). В качестве аргументов использовали следующие:

Химический состав исследованных жаропрочных сплавов и величины их характеристических температур

Сплав

Химический состав, ат. %

C

Cr

Co

Mo

W

Al

Ti

Nb

B

V

Fe

Ta

Re

Zr

ЭП962

0,60

13,0

10,5

3,2

0,6

6,2

3,2

2,2

0,05

ЭП975

0,65

8,3

15,0

0,8

3,0

2,7

0,9

0,1

Х6Н60К8ВЮТМБФ

0,70

6,2

7,6

0,65

4,0

8,7

1,1

0,9

1,44

Х9Н61К9ВЮТМБРФ

0,75

9,0

9,0

1,4

2,9

9,9

2,5

0,8

0,18

Х6Н63К8ВЮТМБРФ

0,70

6,0

7,6

0,65

3,7

10,2

1,3

0,9

1,3

Х6Н64К7ВЮТМБРФ

0,70

5,5

6,9

0,60

3,8

11,3

1,3

0,9

1,3

Х5Н65К9ВЮТМБРФ

0,68

5,0

9,0

0,8

3,2

9,9

1,3

0,9

0,07

Х5Н66К6ВЮТМБРФ

0,70

5,0

6,0

0,6

3,4

10,2

1,1

0,9

1,2

Х5Н67К7ВЮТМБРФ

0,70

4,8

6,6

0,6

3,3

11,7

1,3

0,9

1,2

Х8Н71К9ВЮТМБРФ

0,70

7,3

8,4

0,65

4,1

8,6

1,1

0,9

ЖС6У

0,75

8,7

9,8

1,4

3,0

11,3

3,0

0,6

ЖС6Ф

0,70

5,5

9,5

0,7

3,7

11,3

1,5

0,9

ЖС32

0,70

5,0

9,0

0,7

2,5

12,3

0,9

0,01

1,0

1,0

1,0

0,06

ЖС26

0,70

5,0

9,0

0,8

3,7

10,2

1,3

0,9

2,0

Таблица 2

Величины характеристических температур исследованных жаропрочных сплавов

Сплав

Характеристические температуры, °С

t л

t ан

t г

t к

ЭП962

1390

1520

1610

1680

ЭП975

1340

1470

1600

1720

Х6Н60К8ВЮТМБФ

1420

1500

1620

1680

Х9Н61К9ВЮТМБРФ

1360

1610

1700

1740

Х6Н63К8ВЮТМБРФ

1420

1530

1640

1700

Х6Н64К7ВЮТМБРФ

1410

1470

1610

1650

Х5Н65К9ВЮТМБРФ

1390

1580

1630

1700

Х5Н66К6ВЮТМБРФ

1410

1500

1650

1700

Х5Н67К7ВЮТМБРФ

1400

1520

1660

1700

Х8Н71К9ВЮТМБРФ

1370

1500

1660

1720

ЖС6У

1370

1470

1590

1710

ЖС6Ф

1380

1470

1570

1700

ЖС32

1380

1480

1650

1680

ЖС26

1390

1470

1620

1680

  •    общее содержание легирующих элементов (Э) в виде коэффициента

K 1 = Σ Э 1– n ;

  •    сумму элементов, упрочняющих хромоникелевый раствор

K 2 = Со+W+Мо+Fe +V + 1/2Nb;

  •    суммарное содержание элементов образующих γ′ -фазу

K 3 = Al+Ti+ 1/2Nb;

  •    суммарную концентрацию карбидообразующих элементов

K 4 = Cr+ Fe+W +Mo+V +Ti;

  •    величины отношений

Cr    K 1      K 2    K 3 C Ti

Ni, Ni + Cr, Ni + Cr, Ni , K 4 , Al .

Из представленных на рис. 4 графических зависимостей следует: температуры аномалий и гис- терезиса уменьшаются с ростом коэффициентов Cr K K K

K , K и K , отношений ,    1  ,    2 , 3 и

  • 1  2   3            Ni Ni + Cr Ni + Cr Ni

только один фактор, а именно рост величины отношения концентрации углерода к суммарному содержанию карбидообразующих элементов способствует повышению t ан и t г.

Разнонаправленное действие оказывает увеличение отношения концентраций Ti/Al . При этом температуры t ан и t г незначительно снижаются, t к интенсивно возрастает. Например, отношение Ti/Al изменяется от 0,11 до 0,15, а t к возрастает с 1670 до 1740 °С. К сожалению, количество обработанных данных по 14 сплавам оказалось недостаточным для конкретных выводов относительно роли факторов в формировании уровня критических температур.

Рис. 4. Влияние различных факторов на величину и характер изменения аномальных температур ( t ан , сплошная линия) и температур гистерезиса ( t г , пунктирная линия)

Таким образом, изменение концентрации углерода и легирующих элементов в составе жаропрочных сплавов оказывает влияние на величину аномальных температур и температур гистерезиса. Такая информация по каждому сплаву, несомненно, позволит расширить возможности технологии ВТОР при выплавке и переплаве жаропрочных сплавов.

Влияние различных факторов на величину температурного интервала термической устойчивости ( A t ту = t ан - t л ) первичной структуры жидкого металла, образующейся после плавления шихты, показано на рис. 5. Их рост способствует увеличению значений A t ту . Отсутствие на рис. 5 таких аргументов, как суммарное содержание элементов, образующих у' -фазу, и отношения концентрации углерода к коэффициенту K 4 , связано с малой значимостью.

Более сложным (рис. 6) оказалось влияние рассматриваемых факторов на величину температурного интервала интенсивной перестройки структуры жидких жаропрочных сплавов в равновесное состояние ( A t ип = t г- t ан). Величина этого интервала возрастает, если уменьшается объем легирующих элементов ( K 1), снижается концентрация хрома в отношении Cr Ni при сравнительно близких содержаниях никеля в изученных сплавах, а также уменьшается отношение Ti Al . Обратное действие оказывает уменьшение коэф-

K фициента K и отношения 2

Ni + Cr

.

Коэффициент Kин = Р , отражающий в оп-Δtип ределенной степени скорость процесса перехода структуры расплава в равновесное состояние, повышается с уменьшением величины различных

K 1

K 4

K 2

Ni + Cr

K 2

Cr / Ni

0,15

0,10

Ti / Al

0,20

0,10

A t ту    t ан   t л

ан

Рис. 6. Влияние различных факторов на величину и характер изменения температурного интервала интенсивной перестройки (Δtип) структуры жидких жаропрочных сплавов

Рис. 5. Влияние различных факторов на величину и характер изменения интервала температур термической устойчивости (Δ t ту ) структуры жаропрочных сплавов после плавления

Рис. 7. Влияние различных факторов на величину коэффициента интенсивности перестройки (Kин =Δρ/ Δtип ) структуры жидких жаропрочных сплавов факторов (рис. 7). Исключением является отношение концентрации углерода к суммарному содержанию карбидообразующих элементов CIK4 . Принимая во внимание практически отсутствую- щее влияние углерода на температуры tан и tг (см. рис. 3) в интервале его концентрации в изученных сплавах (0,12–0,16 мас. %), отметим, что основную роль в изменении Kип играет интервал Δtип, который понижается с увеличением таких факторов, как K1, Cr/Ni , Ti/Al и уменьшением K2 и

K

  • 2    (см. рис. 6).

Ni + Cr

Таким образом, используя результаты парного корреляционного анализа, удается лишь качественно оценить влияние химического состава жаропрочных никелевых сплавов на параметры высокотемпературной обработки расплава. Поэтому основным способом научного обоснования технологических режимов ВТОР является сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований структуры и свойств металла в жидком и твердом состояниях.

Список литературы Разработка режимов высокотемпературной обработки жидких жаропрочных никелевых сплавов на основе экспериментальных и расчетных показателей

  • Жидкая сталь/Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др. -М.: Металлургия. -1984. -208 с.
  • Барышев, Е.Е. Влияние структуры расплава на свойства жаропрочных никелевых сплавов в твердом состоянии/Е.Е. Барышев, А.Г. Тягунов, Н.Н. Степанова. -Екатеринбург: НИСО УрО РАН, 2010. -198 с.
Статья научная