STRUKTURA WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWU ZE STOPU KOBALTU KSZTAŁTOWANA PLAZMĄ ŁUKU ELEKTRYCZNEGO Z. A. OPIEKUN 1, S. GUT 2

Transkrypt

1 45/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN STRUKTURA WARSTWY WIERZCHNIEJ ODLEWU ZE STOPU KOBALTU KSZTAŁTOWANA PLAZMĄ ŁUKU ELEKTRYCZNEGO Z. A. OPIEKUN 1, S. GUT 2 1 Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska 2 Zakład Inżynierii i Analiz Materiałów, Akademia Górniczo-Hutnicza STRESZCZENIE W pracy przedstawiono zmiany strukturalne występujące podczas nadtapiania i szybkiej krystalizacji warstwy wierzchniej odlewu z żarowytrzymałego stopu kobaltu z podwyższoną zawartością cyrkonu. W wyniku oddziaływania skoncentrowanego źródła ciepła (metoda GTAW) uzyskano silne rozdrobnienie ziarn osnowy oraz eutektyki węglikowej wydzielonej na ich granicach. Key words: heat resistant cobalt casting alloy, GTAW method, rapid crystallization 1. WSTĘP Struktura współczesnych odlewniczych żarowytrzymałych stopów kobaltu charakteryzuję się dużymi dendrytycznymi ziarnami fazy γ oraz występującymi na ich granicach fazami węglikowymi [1-3]. Przez odpowiednią kombinację składników stopowych uzyskuje się umocnienie osnowy roztworu stałego (W, Mo, Ta) i granic ziarn pierwotnymi węglikami typu M 23 C 6, M 6 C, MC i innymi fazami. Drogą obróbki cieplnej (homogenizacja, przesycanie i starzenie) można także wpływać na strukturę tych stopów. Efektem obróbki cieplnej jest przede wszystkim częściowe lub całkowite rozpuszczenie niektórych pierwotnych węglików oraz wydzielenie wtórnych, które dodatkowo umacniają roztwór stały γ [4-6]. Szczególną rolę w kształtowaniu struktury warstwy wierzchniej tworzyw metalicznych odgrywa łuk elektryczny w metodzie GTAW. Proces GTAW prowadzony 1 dr inż., zenop@prz.rzerzow.pl 2 dr inż., gut@uci.agh.edu.pl

2 340 jest w osłonie gazów ochronnych argonu lub helu. W efekcie dostarczania do anody (materiału nadtapianego) energii cieplnej, podwyższa się jej temperatura, co prowadzi do utworzenia jeziorka ciekłego metalu, którego temperatura (zależnie od parametrów procesu) osiąga wartość kilku tysięcy stopni [7]. Poprzez nadtapianie plazmą łuku elektrycznego i szybką krystalizację można ograniczyć zjawiska makro i mikrosegregacji, zwiększyć graniczną rozpuszczalność składników stopowych w roztworze stałym, zmienić morfologię wyjściowych faz oraz znacznie rozdrobnić strukturę. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Materiał do badań Do badań użyto odlewu ze stopu żarowytrzymałego na osnowie kobaltu o składzie chemicznym: 0,71%C; 24,20%Cr; 10,30%Ni; 7,25%W; 2,95%Ta; 0,20%Ti; 2,70%Zr; reszta Co. Odlew z tego stopu miał kształt płytki o wymiarach: 12x60x120mm. Wytop stopu prowadzono w próżni, w tyglu elektrokorundowym. Stop odlano do formy skorupowej otrzymanej metodą wytapianych modeli Krzepnięcie w warunkach szybkiego chłodzenia Dla uzyskania struktury w warunkach szybkiej krystalizacji odlew nadtopiono argonową plazmą łuku elektrycznego przy użyciu urządzenia spawalniczego FALTIG 315 AC/DC. Przyjęto stałą długość łuku elektrycznego (l ł = 2,5mm), trzy prędkości przemieszczania łuku V p = 200, 400, 800mm/min i dwa natężenia prądu I = 150A i 200A. Nadtopienia wykonano elektrodą wolframową o średnicy ø = 3mm Struktura Badania struktury nadtopionych warstw wierzchnich przeprowadzono na zgładach metalograficznych, na przekrojach poprzecznych do kierunku nadtapiania, korzystając z metalograficznego mikroskopu optycznego z komputerowym zes tawem do analizy obrazu. Rysunek 1 ilustruje makrostrukturę i mikrostruktury warstwy wierzchniej analizowanego stopu kobaltu.

3 341 Rys. 1. Makrostruktura a) i mikrostruktury b), c) warstwy wierzchniej odlewu stopu kobaltu. Warunki nadtapiania: I = 200A, V p = 200mm/min. Zgład trawiono elektrolitycznie w 50% wodnym roztworze HNO 3 Fig. 1. Macrostructure a) and microstructures of molten layer b), c) of cobalt casting alloy. Molten parameters: I = 200A, V p = 200mm/min. Etch. 50% aqueous HNO 3, electrolytic Efektem nadtopienia i szybkiej krystalizacji jest uzyskanie warstw wierzchnich znacznie różniących się strukturalnie od struktury odlewu. Warstwa nadtopiona posiada bardzo drobne dendrytyczno komórkowe ziarna roztworu stałego γ z ultradrobną eutektyką węglikową na ich granicach. Wszystkie stosowane parametry procesu nadtapiania nie spowodowały całkowitego rozpuszczenia się pierwotnych węglików typu MC. Pozostały one w warstwach jako drobne kulkowe fazy (rys. 1c) nierównomiernie rozmieszczone w nadtopieniach. Zmienne wartości natężenia prądu i prędkości V p wpłynęły głównie na rozmiary nadtopionych warstw (rys. 2). Duże prędkości V p i niższe natężenie prądu to płytsze i węższe nadtopienia.

4 342 Rys. 2. Makrostruktury warstwy wierzchniej odlewu ze stopu kobaltu. Parametry nadtapiania: I = 150A, V p = 800mm/min a), I = 150A, V p = 400mm/min b), I = 150A, V p = 200mm/min c) Fig. 2. Macrostructures of molten layer cobalt casting alloy. Parameters of molten: I = 150A, V p = 800mm/min a), I = 150A, V p = 400mm/min b), I = 150A, V p = 200mm/min c) 2.4. Punktowa analiza rentgenowska Stosując ilościową rentgenowską analizę punktową (SEM sprzężony z RTG Noran) określono skład chemiczny faz węglikowych zarówno w strukturze odlewu jak i nadtopionych warstwach wierzchnich. Rysunek 3 ilustruje mikrostruktury stopu z naniesionymi punktami mikroanalizy a rysunek 4 przykładowe widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego z analizowanych obszarów. Zawartości pierwiastków stopowych (średnia z pięciu pomiarów) w analizowanych obszarach zestawiono w tabeli 1.

5 343 Rys. 3. Mikrostruktury: odlewu ze stopu kobaltu a), warstwy wierzchniej b), c), d). SEM. Obszary mikroanalizy rentgenowskiej 1 6 Fig. 3. Microstructure of cobalt casting alloy a), molten of surface layer b), c), d). SEM. Points X-ray analysis 1-6

6 344

7 345 Rys. 4. Widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego z obszarów 1, 2, 3, 6 zaznaczonych na rys 3 Fig. 4. Spectrum of characteristic X-ray radiation from area 1, 2, 3, 6 (fig. 3)

8 346 Tabela 1. Średnie zawartości pierwiastków stopowych w analizowanych obszarach (1 6) odlewu ze stopu kobaltu: Co 0,7C 24Cr 10Ni 7W 3Ta 0,2Ti 2,7Zr Table 1. Alloying elements content in local analysis (1 6) cobalt cast alloy: Co 0,7C 24Cr 10Ni 7W 3Ta 0,2Ti 2,7Zr Obszar Zawartość pierwiastków, % Uwagi analizy Cr Co Ta Zr W Ti Ni 1,0 3,0 46,0 50,0 Wielokątne 1 ślady (4,3)* (5,7) (29,0) (61,0) węgliki ,0 (2,3) 21,0 (30,5) 0,8 (2,0) 24,0 (31,3) 13,0 (16,6) 2,3 (4,0) 59,0 (54,2) 3,2 (6,0) 40,4 (37,7) 8,6 (9,4) 24,0 (13,0) 69,0 (77,1) 46,5 (30,0) 49,5 (62,0) ślady 6,0 (2,0) 66,0 (63,0) 2,5 (1,4) 3,5 (0,8) 1,2 (2,2) 0,1 (0,2) 9,8 (10,0) ślady 7,6 (4,3) 0,7 (1,2) 10,0 (11,2) 5,7 (7,8) * w nawiasach podano zawartości w procentach atomowych 3. PODSUMOWANIE Iglasto-płytkowe węgliki Osnowa odlewu Kuliste węgliki w w.w. Osnowa w.w. Węgliki w eutektyce w.w. Warstwę wierzchnią odlewu z żarowytrzymałego stopu kobaltu 0,71%C; 24,20%Cr; 10,30%Ni; 7,25%W; 2,95%Ta; 0,20%Ti; 2,70%Zr; reszta Co, można kształtować plazmą łuku elektrycznego. Nadtopione i szybko krystalizowane warstwy charakteryzują się drobnymi ziarnami dendrytyczno komórkowymi roztworu stałego γ z drobną eutektyką węglikową na ich granicach. We wszystkich nadtopionych warstwach występują przypadkowo rozmieszczone, zaokrąglone węgliki pierwotne typu MC. Skład fazowy odlewu i warstwy wierzchniej analizowanego stopu jest podobny. W strukturze odlewu występują duże wielokątne węgliki pierwotne typu MC, którym można przypisać skład: (Zr 0,6 Ta 0,3 Co 0,12 Cr 0,08 )C oraz eutektyczne iglasto płytkowe węgliki (MC) E o składzie: [Zr 0,78 Ta 0,12 Ti 0,04 (Co+W+Cr) 0,06 ]C. Wielokątne węgliki typu MC występują wewnątrz dendrytycznych ziarn roztworu stałego γ. Węgliki te zawierają o około 1/2 więcej tantalu i mniej o około 1/3 cyrkonu od węglików eutektycznych typu (MC) E. Osnowę stopu stanowi austenit kobaltowy γ, którym jest roztwór stały niklu, chromu, wolframu i tytanu w kobalcie. W nadtopionych i szybko krystalizowanych warstwach wierzchnich, osnowa γ zawiera nikiel, chrom oraz cały wolfram występujący w stopie. Natomiast tytan występuje w drobnych iglasto płytkowych eutektycznych węglikach typu (MC) E. Z obserwacji cech morfologicznych struktury można wnioskować o kolejnoś ci etapów przebiegu krystalizacji odlewu oraz nadtopionych i szybko krystalizowanych warstw. W odlewie stop krzepnie wg schematu: L MC+L 2 MC+eutektyka

9 347 [Co γ +(MC) E ]. Nadtopione warstwy wierzchnie krzepną wg schematu L Co γ +L 2 Co γ +eutektyka [Co γ +(MC) E ]. LITERATURA [1] Mikułowski B.: Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe nadstopy. Kraków, wyd. AGH, 1997, s [2] Dedekind M. D., Harris L. E.: Evaluation of premature failure of a gas turbine componet, Int. J. Pres. Ves. and Piping, 66, 1996, pp [3] Jang W. H., Guan H. R., Hu Z. Q.: Effects of heat treatment on microstructures and mechanical properties of a directionally solidified cobalt base superalloy, Mat. Sci. and Eng., A271, 1999, pp [4] Opiekun Z.: Investigation of ageing process kinetics in respect to casting cobalt alloys, Acta Metall. Slovaca, 2, 1999, pp [5] Yang F. M., Sun X. F., Zhang W., Kang Y. P.: Secondary M 6 C precipitation in K40S cobalt base alloy, Mat. Letters, 49, 2001, pp [6] Opiekun Z., Orłowicz W.: Quantitative phases investigation of zirconium and boron modified cobalt casting alloys, Solid. of Metals and alloys, PAN, 3, 1998, [7] Nelson T. W., Lippol J. C., Mills M. J.: Nature and evolution of the fusion boundary in ferritic austenitic dissimilar veld metals, part I Nucleation and Growth, Welding Research Supplement, 1999, Praca wykonywana w ramach badań U-6577/BW realizowanych w Politechnice Rzeszowskiej. STRUCTURE OF SURFACE LAYER OF COBALT ALLOY CASTING REFINED BY RAPID CRYSTALLIZATION SUMMARY In the paper presents the analysis of structure molten and rapid crystallize of surface layer higher zirconium content of cobalt casting alloy. Recenzował Prof. Jan Szajnar