BADANIA INTERMETALI NA OSNOWIE Ni I Fe W STANIE LANYM I PO WYŻARZANIU UJEDNORADNIAJĄCYM JERZY BYSTRZYCKI, ZBIGNIEW BOJAR

Transkrypt

1 Sołidification of Metais and Aoys Krzepnięcie Metai i Stopów PL ISSN BADANIA INTERMETALI NA OSNOWIE Ni I Fe W STANIE LANYM I PO WYŻARZANIU UJEDNORADNIAJĄCYM JERZY BYSTRZYCKI, ZBIGNIEW BOJAR Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa W pracy przedstawiono wyniki badań wstępnych nad technoogią stopów na osnowie faz międzymetaicznych Ni 3Ał i FeAI. utermetae Ni 3Ał domieszkowane Cr, Mo, Zr i B oraz FeAI domieszkowane Cr, Nb, Zr, B i C wytwarzano poprzez topienie w indukcyjnym piecu próżniowym. Przeprowadzono badania składu chemicznego, stopnia zanieczyszczeń i porowatości, mikrostruktury, mikrotwardości oraz rentgenowską anaizę fazową. Skład chemiczny oraz warunki krystaizacji badanych stopów sprzyjają tworzeniu się dwufazowej struktury dendrytycznej. Przedstawiono charakterystyczne zmiany mikrostruktury w funkcji stopnia homogenizacji wewków i parametrów struktury po obróbce ciepnej. Wprowadzenie Poszukiwania nowych materiałów do pracy w podwyższonych temperaturach pobudzają rozwój badań nad stopami na osnowie faz międzymetaicznych. Fazy z układów równowagi Ni-A, Fe-A i Ti-A posiadają wiee atrybutów, czyniących je atrakcyjnymi materiaami do zastosowań wysokotemperaturowych [ 1-6]. Największy postęp w zakresie poznania mechanizmów odpowiedzianych za ekstremaną kruchość, a zarazem sposobów minimaizowania tej wady, uzykano da stopów na osnowie fazy Ni 3 A [2]. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań mikrostruktury intermetai Ni-A z zakresu występowania faz Ni 3 A i NiA oraz stopów na osnowie fazy FeAI. Intermetae

2 92 J. Bystrzycki, Z Bojar na osnowie Ni 3 A - w porównaniu z powszechnie stosowanymi nadstopami na bazie Ni - mają znacznie epszą wytrzymałość zmęczeniową w podwyższonych temperaturach [3]. Jednak niewiee odbiegający od nadstopów ciężar właściwy (około 7,5 g/cm 3 ) intermetai na osnowie Ni 3 A zwraca ostatnio szczegóną uwagę na uporządkowaną fazę NiAI, o wyższej temperaturze topnienia, niższej gęstości, epszej odporności na utenianie i wyższym przewodnictwie ciepnym [4]. Intermetae NiAI, a także stopy na ich osnowie, wykazują jednak małą pastyczność w temperaturze otoczenia oraz niską wytrzymałość i odporność na pełzanie w temperaturach podwyższonych [4]. W pracy zwrócono więc uwagę na stopy o budowie wieofazowej z zakresu faz Ni 3 A i NiA, domieszkowane takimi pierwiastkami, jak: Cr, Mo, Zr i B. Cyrkon efektywnie wpływa na umocnienie roztworem stałym. Moibden korzystnie poprawia wytrzymałość w temperaturach otoczenia i podwyższonych, a mikrododatki boru eiminują kruchość wodorową i poprawiają wytrzymałość kohezyjną granic ziarn. Dodatek chromu obniża kruchość w podwyższonych temperaturach. W pracy przedstawiono również wyniki badań prowadzonych na intermetaach na osnowie FeAI. Intermetae FeA, oprócz doskonałej odporności na utenianie, nasiarczanie i nawęganie, dobrej odporności na ścieranie, wysokiej wytrzymałości w temperaturach podwyższonych oraz małej gęstości, odznaczają się znacznie niższymi kosztami wytwarzania w porównaniu do stai odpornych na korozję [4]. Badania prowadzono na stopach FeA domieszkowanych Cr, Nb, Zr, B i C, o zawartości auminium odpowiadającej podstechiometrycznemu składowi fazy FeAI. Pierwiastki Nb, Zr i C umożiwiają zastosowanie utwardzania wydzieeniowego macierzystej fazy, podnosząc wytrzymałość stopu. Materiał i metodyka badań Wytwarzanie upastycznionych stopów na osnowie faz międzymetaicznych z układów Ni-A i Fe-A wymaga ścisłego przestrzegania reżimów technoogicznych. Głównym probemem jest w tym przypadku znaczna różnica temperatur topnienia składowych pierwiastków w stopach i wiążące się z tym trudności w utrzymaniu założonych poziomów zawartości tych pierwiastków. Technoogia zaecana w odniesieniu do stopów intermetaicznych przeznaczonych do stosowania w stanie anym przewiduje etapowe topienie i odewanie w próżni, przetapianie eektrożużowe oraz wyżarzanie ujednoradniające w ceu zminimaizowania segregacji dendrytycznej. Znacznie wyższy poziom jednorodności chemicznej i strukturanej można uzyskać w stopach przeznaczonych do obróbki pastycznej, gdyż w tym przypadku ujednorodnione wewki poddaje się cykicznym zabiegom odkształcenia i rekrystaizacji, umożiwiającym uzyskanie drobnoziarnistej, jednorodnej morfoogicznie budowy poikrystaicznej. Perspektywiczną technoogią wytwarzania stopów intermetaicznych jest także metaurgia proszków, zwłaszcza w połączeniu z końcowym dogęszczaniem izostatycznym prasowanych eementów. Do badań własnych przygotowano zestaw czterech stopów intermetaicznych Ni-A i Fe-A o składach przedstawionych w tabei. Technoogia otrzymania próbek obejmowała kika etapów topienia wsadu w indukcyjnym piecu próżniowym Bazers (WSK-PZL Rzeszów). Pierwszy etap to topienie w próżni stopu bazowego, w którego

3 Badania intennetai na osnowie s kład wchodzi przygotowanie wg arkusza wsadowego odpowiedniej io śc i s kładników o wyższej temperaturze topnienia - niku, żeaza, chromu i moibdenu. Po wystudzeniu wsadu następuje drugi etap - wprowadzania do stopu pozostałych dodatków stopowych w postaci metaicznego auminium i cyrkonu oraz stopu auminium - bor. Drugie topienie wsadu odbywa się pod osłoną argonu. Po uzyskaniu temperatury 1540 C następuje odewanie w osłonie argonu 6-kiogramowych wewków do kokii metaowej. W trzecim etapie- po uzyskaniu anaizy chemicznej wykonanych stopów, następuje koejne topienie materiału wewków w próżni i, po ewentuanej korekcie s kładu chemicznego, odewanie próbek w formach maachitowych. Wykonano próbki w formie prętów 0 8 x 100 mm oraz płytek 5 x 20 x 100 mm. Na nietrawionych szifach poprzecznych i podłużnych kontroowano udział rzadzizn i wtrąceń niemetaicznych. Tabea. Składy chemiczne badanych stopów intermetaicznych Nr stopu Zawartość pierwiastka stopowego, % wag. A Cr Mo N b Zr B c Reszta L5 0,02 - Ni ,5-1,5 O,Q2 - Ni ,5 O,O - Fe , ,05 Fe Anaiza wyników badań Obserwacje szifów metaograicznych w stanie anym wykazują, że jakość metaurgiczna badanych stopów Ni-A jest porównywana ze stwierdzoną w odewach kasycznych nadstopów na osnowie niku i kobatu. W stopie nr występują bardzo drobne, odosobnione i równomiernie rozłożone pory gazowe oraz nieiczne mikrorzadzizny dendrytyczne. W stopie nr 2 iość pęcherzy gazowych jest większa i są one zokaizowane zdecydowanie wzdłuż przestrzeni międzydendrytycznych. Obydwa badane stopy Ni-A po wytrawieniu wykazują złożoną budowę strukturaną. Na podstawie obserwacji mikrostruktury i pomiarów mikrotwardości, wyników anaizy składu chemicznego, rentgenowskiej anaizy fazowej oraz anaizy podwójnych i potrójnych układów równowagi naeży stwierdzić, że: ) Krystaizacja pierwotna stopu nr rozpoczyna się od dendrytycznego wzrostu fazy międzymetaicznej NiA (rys. ), z której następnie, w wyniku perytektycznej reakcji z cieczą, powstaje w przestrzeniach międzydendrytycznych faza międzymetaiczna Ni 3 A. W dwufazowej strukturze NiA+Ni 3 A, podczas stygnięcia do temperatury ok. 700 C, w wyniku maejącej rozpuszczaności niku w sieci NiA, wydzieają się wtórne wydzieenia Ni 3 A. W temperaturze około 700 C, w warunkach równowagowych powinna w reakcji perytektycznej NiA+Ni 3 A całkowicie wyczerpać się faza

4 94. Bystrzycki. Z. Bojar.,.,~c~ - w - ~. ~~'V '' L. f t '..., _, t;jp.'~~ ~: ~ -. f,. f,' f,,. 1 " ~ ~.-~ ' 11_.-._ ~.. ~ '.... ~;,.;-w. ~L d),. - - ~ A. -.Y~ "" ; \'i J Rys.. Dendrytyczna budowa faz Ni, AI i NiAI w stani e anym (a, c) i po wygrzewaniu (b, d ) NiAI i powstać faza Ni 5 AI 3. W warunkach prowadzonych eksperymentów, podczas chłodzenia odewów w fonuach ceramicznych, reakcja perytektyczna zachodzi tyko czę ściowo. Powstające dyspersyjne cząstki Ni 5 A 3 tworzą z osnową Ni 3 AI obszary dwufazowe (strefy szare na rysunku a na te jasnych dendrytów Ni 3 A) o obniżonej twardości (rys. 5a). Pozostała część przechłodzonej fazy NiA tworzy wyspowe wydzieenia w układzie dendrytycznym, cechujące się wysoką twardością. Po 50-godzinnym wygrzewniu w temperaturze 1100 C (obszar dwufazowy NiA + Ni 3 A) i chłodzeniu na powietrzu obraz struktury stopu nr uega zmianie. Osnowę stopu stanowi w daszym ciągu faza międzymetaiczna Ni 3 A, natomiast faza NiAI, w związku z typową da niej sk ł onnością do przechłodzenia [ 1], nie zanika w reakcji perytektoidanej, ae zachowuje się do temperatury otoczenia tworząc mareozytyczne obszary o budowie płytkowej. Obszary te wykazują wysoką twardość

5 Badania intermetai na osnowie (rys. Sa). Występowanie fazy międzymetaicznej NiA w stopie w stanie anym i po wygrzewaniu potwierdza rentgenowska anaiza fazowa (rys. 4). 50-godzinne wygrzewanie w temperaturze 1100 C uwypuka budowę dwufazową stopu (Ni:JA z metastabiną fazą NiA), ae jednocześnie praktycznie nie zmienia się w wyniku tej obróbki rozkład pierwiastków na poszczegóne fazy (rys. 2), jak i nie zmienia się twardość tych faz. '- u 150 < 10.0 po odewaniu 20.0., , (...). (" ' --v. n r ( -\ \ i i ( ~! \('' -..,.". i \ i i \ \j i i ~ r i c._,.! ' ajwiwuam - ob.rom ~ 1 O.OT 00 " ============:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::~ wygrzewanie 1100 C/50h r-.. fi r'\ f t" ~ \,' \fi. ' r -'\ \!. ' ).) \! \. J\ ',, 'J '-.. r \j \ \. --..twd1d.ła.m -... O U r... >. u o )Q eo.oo odegłość, 11m odegłość, j.(m Rys. 2. Liniowe rozkłady pierwiastków stopowych w dwufazowych obszarach NiAIINi,A stopu 2) Skład chemiczny stopu nr 2 pasuje go na potrójnym układzie równowagi Ni-A-Cr biżej stechiometrycznego składu Ni 3 A. Dominującą w tym stopie, w stanie anym i po homogenizacji, jest faza międzykrystaiczna Ni 3 A. Dyspersyjne wydzieenia fazy Ni 5 A 3 powstałej w reakcji perytektoidanej NiA+Ni 3 A tworzą rozmieszczone równoege do przestrzeni międzydendrytycznych obszary dwufazowe. W wyniku homogenizacji cząstki fazy Ni 5 A 3 uegają koaguacji (rys. 3d). Naeży zwrócić uwag ę na rozdział pierwiastków stopowych pomiędzy poszczegóne składniki struktury badanych stopów Ni-A. Przykładowy rozkład pierwiastków w obszarze dwufazowym da stopu (rys. 2) (anaogiczne rozkłady otrzymano da stopu nr 2) wykazuje, że atomy chromu obsadzają w sieci Ni 3 A zarówno węzły w podsieci auminium, jak i niku. Natomiast w fazie Ni 5 A 3 chrom powinien okować s ię przede wszystkim w podsieci auminium. Cyrkon w obu stopach i moibden (stop 2) preferencyjnie rozpuszczają się w fazie Ni 3 A. W stopie 2, podobnie jak w omawianym wcześniej stopie, po 50-godzinnym wygrzewaniu w temperaturze 00 C, praktycznie nie uega zmianie rozkład pierwiastków i nie zmienia się twardość faz.

6 96 J. Bystrzycki, Z. Bojar / cps n"" Rys. 3. Dendrytyczny układ osnowy stopu 2 L - t~n o oc wan u.. ~- wvvrz wanł iyw C / ~ł.łh obszarów dwufazowych f,.,.h-ij 1 481<1 ~ Hi - IJAI - II Cr -. :.Zr - <ł..ł :?. Hi - ~3A - UCr ~r- 9. Y L U -.~ H u Ni AJ Hi> 321<1.\ (, (, "'. 1;100 d '1. 3'17652 / ~4. 41;11; i. 61i1493 " ~9 zł. ~"" i6 i.21i11i1445 Ił. i9 eła ~ ~h~~~ Rys. 4. Zestawienie dyfraktogramów stopów i 2 w stanie anym i po wygrzewaniu.h g OM

7 Badania intermetai na osnowie Anaiza mikrostruktury w zestawieniu z wynikami pozostałych badań wykazuje, że otrzymane stopy Fe-A mają budowę jednofazową. Na dyfraktogramach (rys. O) uzyskano da stopu anego i po homogenizacji jedynie refeksy od fazy międzymetaicznej FeA (charakterystyczny układ intensywności reteksów {O } i pozostałych struktury SIO~-----~?;;;;;;;;;;;;;;q $GO 11 "_IW 1] a) rna.n. wyjdowy I ~'~-;:---;c--~-~-~---y-~ 2 t... o s: I"MI*III wyjdowy b) I po &Ogodz 'nagezac 2 Rys. 5. Mikrotwardość faz strukturanych w stopie (a) i 2 (b) w stanie anym i po wygrzewaniu typu B2 fazy FeA od struktury typu D0 3 fazy Fe 3 A). Wprowadzony do obu stopów chrom rozpuszcza się w sieci FeA obsadzając pozycje węzłów zarówno auminium, jak i żeaza. Rozkład chromu i auminium w osnowie obu stopów (poza dyspersyjnymi wydzieeniami) jest równomierny (rys., rys. 7b i 9b). Próbki stopu nr 3 wykazują zróżnicowaną wiekość krystaitów fazy FeA (rys. 6) z bardzo słabo zaznaczonymi cechami budowy dendrytycznej. W osnowie występują równomiernie rozmieszczone dyspersyjne wydzieenia fazy utwardzającej. Wysoka dyspersja utrudniajej identyfikację, jednak z zachowania chromu (iniowa anaiza przez cząstkę fazy - rys. 7b) można

8 98 J. Bystrzyc/ci, Z. Bojar wnioskować, że są to wydzieenia (CrFe) 23 C 6. Po 50-godzinnym wygrzewaniu w temperaturze 800 C wydzieenia drugiej fazy zachowują się w stanie skoaguowanym, głównie na granicach krystaitów (rys. 6d). Wygrzewanie nieznacznie podwyższa twardość fazy Rys. 6. Krystaity FeA z dyspersyjnymi wydzieeniami fazy utwardzającej w stanie anym (a, c) i po wygrzewaniu (b, d) FeA w stosunku do stanu po odewaniu (rys. 7a). Zwiększony dodatek chromu oraz wprowadzenie niobu do stopu nr 4 powoduje zwiększenie skłonności do dendrytycznego wzrostu fazy FeAI podczas krystaizacji (rys. 8). W bardzo wąskich przestrzeniach między gałęziami dendrytów i po granicach krystaitów występują drobne cząstki drugiej fazy - prawdopodobnie przede wszystkim (Cr, Fe) 23 C 6, a w objętości krystaitów, charakterystyczne da upastycznionych stopów Fe-A z dodatkiem niobu, igiełkowe wydzieenia niobku żeaza Fe 2 Nb (rys. 8c oraz wynik mikroanaizy -rys. 9b). Twardość osnowy FeAI jest praktycznie identyczna jak w stopie 3 i nie uega zmianie w wyniku wygrzewania (rys. 9a).

9 Badania intennetai na osnowie a) Probkarv i o 330 m<eta wyjsdowy po &O godz. homogeozacj > ::r: 310 I I b) 25.0 ~ , 20.0 ~ :s 15.0 X t. u ~ < Cz odegłość, 1-Lffi Rys. 7. Mikrotwardość (a) i rozkład zawartości A i Cr w osnowie i w obszarach dyspersyjnych wydzieeń (b) Podsumowanie Przeprowadzone dotychczas badania struktury i podstawowych właściwości stopów Ni-A i Fe-AJ potwierdziły, że osnowę tych stopów stanowią fazy międzymetaiczne - odpowiednio Ni 3 A1 i FeAJ. Stopy na osnowie Ni 3 AJ mają budowę wieofazową zapewniającą im - co potwierdzono w dodatkowych badaniach [5] - wysoką odporność na ścieranie, a także żaroodporność. Otwartą kwestią, wymagającą daszych badań, pozostaje w tych stopach probem termicznej stabiności wieofazowej struktury, zwłaszcza w aspekcie wydzieania fazy Ni 5 AJ 3 o biżej nieokreśonych (brak danych iteraturowych) właściwościach. W przypadku jednofazowych, utwardzanych fazami dyspersyjnymi stopów na osnowie FeAJ stwierdzono przy twardości rzędu 300 HV wyższą niż

10 100 J. Bystrzycki, Z Bojar da stai typu 316L odporność na korozję wżerową w środowisku chiorkowym oraz (opierając się na próbie wygłębnikowej) brak skłonności do kruchego pękania. Prowadzone są badania właściwości mechanicznych w temperaturze otoczenia i temperaturach podwyższonych obu grup stopów. Rys. 8. Krystaity FeAI z dyspersyjnymi wydzieeniami w przestrzeniach międzydendrytycznych w stanie anym (a, c) i po wygrzewaniu (b, d) ~ '

11 Badania intermetai na osnowie r 31 0 o > :r:290 materia wyjsdowy po 50 godz. homogwzacj I "' 250 b) 25.0 ' u../ --. "\.... ' _, < AJ -- C;r '-.. _r.r.,0 0.0 ro :r: X J.OO.a... o c f:::~~::::;:::::::;::::...-,r :.:;:::::;:::=:::;:::::::;::::::::j o.o e.o to.o 12.0 odegłość, Rys. 9. Mikrotwardość (a) oraz wynik mikroanaizy osnowy w strefie dyspersyjnego wydzieania (b) j..m

12 102 J. Bystrzycki, Z. Bojar /cps L - stan po od waniu o u - wygrz wani 899 C/59h 3 - F -29A-4Cr-9.91B-9.15Zr 4 - F -29A-8Cr- 1.9Hb o 999 d F A <991). J T ' de F A F A F"AI F <IU.1). <111). <992). <O 12) ) T 1/ Rys. 10. Zestawienie dyfraktogramów stopów 3 wygrzewaniu 1) ) 1 - ~ dpg "" 4 w stanie anym i po Literatura. C. T. LIU, J.O. STIEGIER, F.H. FROES: Ordered ntennetaics, in Handbook. vo. 2,Matcri as Park. OH, R.A. VARIN. M.B. WINNICKA: Mater. Sci. Eng. A , S.H. WHANG I IN.: Mater. Sci. Eng. A 1992, 152/ C. T. LIU: Materia]s Research Society Symposium. Pittsburgh, PA, Z. BOJAR, J. BYSTRZYCKI: V OgónopoL Konf. Nauk. nt. M ateriały n arzędziowe. Zakopane , J. BYSTRZYCKI I IN.: Wojsk. Przeg. Techn Summary THE INVESTIGA TIONS OF NICKEL AND IRON ALUMINIDES AS-CAST AND AFTER HOMOGENIZATION TREATMENT In this paper, authors report their efforts in processing of the Ni ~Aand FeAI- based intermetaic aoys. The Ni 3 AI with Cr, Mo, Zr, B and the Fe~AI with Cr, Nb, Zr, B intermetaic aoys were fabricated by vacuum-induction meting. The chemica composition, impurity eve, porosiły, microstructure, microhardeness and phase anaysis of the ingots, as-cast and after various homogenization treatments were studied. The chemica composition and crystaization condition of these aoys formation of a two phase reguar dendritic structure. The characterization of changes in microstructure versus the degree of the homogenization of ingots (as-cast) and microstructure parameters after beat treatment were studied.