Термические превращения литейных высокопрочных сталей (ВНЛ) и жаропрочных сплавов (ВЖЛ) при плавлении и кристаллизации

Литейные жаропрочные сплавы на основе никеля по сравнению с деформируемыми сплавами позволяют достичь в них большого упрочняющего эффекта за счет одновременного наличия трех фаз: γ, γ ’ и карбидной [1, 2]. В зависимости от состава в литых жаропрочных сплавах на основе никеля согласно [3] образуются следующие фазы:

• 1.    Интерметаллидная γ ’- фаза на основе Ni₃Al c кубической гранецентрированной решеткой, имеющей параметры а=3,56-3,60 Å в зависимости от содержания титана. Количество и характер распределения γ ’ -фазы в жаропрочных литых сплавах зависит от уровня легирования и скорости охлаждения отливки.

• 2.    Упрочняемая γ-фаза – твердый раствор на основе никеля Ni (Cr, Mo, Co, W). Состав и количество γ-фазы в значительной степени влияют на высокотемпературную газовую коррозию.

• 3.    Карбидные фазы. В зависимости от уровня легирования и термической обработки в литейных жаропрочных сплавах образуются карбидные фазы различного типа. Большая часть углерода связывается в первичный малорастворимый карбид титана TiС. Карбид титана образует с никелем эвтектику. Распределение карбида титана в литой структуре зависит от условий

кристаллизации (температуры заливки и скорости охлаждения сплава). При высокой температуре заливки и медленном охлаждении образуются грубые выделения карбидов в виде сетки по границам зерен, а при быстром охлаждении они выделяются в виде мелких образований [4]. Химические элементы, входящие в состав сплава, каждый по своему, также влияют на свойства сплава.

Результаты и их обсуждение

Исследованию подверглись образцы стали ВНЛ6 и сплава ВЖЛ14. Химические составы исследованных образцов этих материалов определены с помощью микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) по результатам дисперсионных анализаторов на растровых электронных

а

б

Рис. 1. РЭМ - фотографии текстуры поверхности частиц образцов стали ВНЛ6 ( а ) и сплава ВЖЛ14 ( б )

а

б

Рис. 2. Термограммы нагревания ( а – красная кривая) и охлаждения ( а – синяя кривая; фрагмент для большего разрешения – б ) образца стали ВНЛ6

а

б

Рис. 3. Термограммы нагревания ( а – красная кривая) и охлаждения ( а – синяя кривая; фрагмент для большего разрешения – б ) образца сплава ВЖЛ14

Рис. 4. Изотермический разрез тройной системы, образованной Ni3Cr-Ni3Ti-Ni3Al микроскопах (РЭМ) HITACHI TM-3000 и ZEIZZ EVO-50. На рис. 1 представлена полученная с помощью РЭМ текстура исследованных образцов. Результаты электронной микроскопии и МРСА образцов исследованных материалов указывают на высокую однородность их химического состава и микроструктуры, а также на хорошее совпадение состава образцов с элементным составом этих сплавов, указанных в литературе [2, 3].

Для представления процессов, протекающих при кристаллизации расплава в процессе формирования отливки, выполнили дифференциально-термический анализ (ДТА) образцов стали ВНЛ6 и сплава ВЖЛ14 на термоанализаторе Neitzsch STA 449 Jupiter в проточной атмосфере аргона при скорости нагревания–охлаждения 20 К/мин.

Результаты ДТА (рис. 2, 3) указывают на сложную последовательность эндотермических превращений в исследованных образцах при нагревании, а также на отсутствие совпадения последовательности протекания термических превращений и значений соответствующих им температур при охлаждении. Такое поведение образцов следует рассматривать как весьма веское указание на присутствие метастабильных состояний в исследованных сплавах, аналогичных обнаруженным в [5].

Термограммы образцов стали ВНЛ6, полученные при нагревании в интервале от 1100 °С до плавления при температуре 1463 °С и при охлаждении, показаны на рис. 2. Слабый экзотермический эффект на термограмме охлаждения при 1484 °С, не наблюдаемый при нагревании, указывает на некоторое повышение температуры ликвидуса, т.е. на протекание процессов в расплаве, способных повлиять на характер кристаллизации всей отливки.

Аналогичное сложное поведение, показанное на рис. 3, характерно для образцов сплава ВЖЛ14 при нагревании и охлаждении. Последовательность слабых эндотермических эффектов при нагревании этого сплава от 1000 °С до плавления при 1467 °С сменяется значительным переохлаждением расплава при охлаждении и началом кристаллизации при 1405 °С, с последующим каскадом последовательно протекающих превращений, сопровождающихся существенно большими по величине экзотермическими эффектами (рис. 3 б ).

Заключение

Как следует из рис. 4, исследованный сплав ВЖЛ14 может состоять из γ , γ ’ и η фаз, на соотношение которых может существенно повлиять количество и форма присутствия примесей второй фазы, как это отмечено в литературе [6, 7]. В этих условиях возможно сохранение ме-тастабильного состояния сплавов. Результаты ДТА образцов стали ВНЛ6 позволили обнаружить несовпадение превращений, протекающих в них при нагревании и охлаждении, что дает основание предполагать формирование в исследованной стали метастабильной аустенитномартенситной структуры, аналогичной обнаруженной в [5].

Научное исследование выполнено Сибирским федеральным университетом (проект «Фазовые превращения в твердых растворах на основе полиморфных металлов при субкритических температурах в условиях фазового равновесия») в рамках Государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации на оказание услуг (выполнение работ).