PRZEMIANY FAZOWE W ODLEWACH Z ŻAROWYTRZYMAŁEGO STOPU NA OSNOWIE KOBALTU

Transkrypt

1 KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. nr Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 00 ZENON A. OPIEKUN* PRZEMIANY FAZOWE W ODLEWACH Z ŻAROWYTRZYMAŁEGO STOPU NA OSNOWIE KOBALTU W artykule przedstawiono przebieg zmian strukturalnych zachodzących w odlewach ze stopu kobaltu: Co-0,6C-,3Cr-,0Ni-,W-3,Ta-0,36Zr-0Ti-0,43Fe-0,00B, poddanych różnym wariantom obróbki cieplnej. Wygrzewanie odlewów w wysokiej temperaturze (60 C/4 h) prowadzi do rozpuszczenia pierwotnych węglików typu M 3 C 6 oraz do częściowego rozpuszczenia i sferoidyzacji pierwotnych węglików typu MC w fazie γ. Wygrzewanie odlewów w niższej temperaturze wywołuje heterogeniczne zarodkowanie i koagulację wzdłuż błędów ułożenia wtórnych, niekoherentnych węglików typu M 3 C 6 w osnowie γ. Słowa kluczowe: stop kobaltu MAR-M50, obróbka cieplna, mikrostruktura. WSTĘP Odlewy z żarowytrzymałych stopów na osnowie kobaltu otrzymuje się w wyniku odlewania precyzyjnego z użyciem wielowarstwowych form ceramicznych [3, 5]. Odlewy te charakteryzują się dobrymi właściwościami żarowytrzymałymi i znajdują zastosowanie tam, gdzie występuje oddziaływanie wysokiej temperatury i spalin. I tak, z żarowytrzymałych stopów na osnowie kobaltu wytwarza się złożone konstrukcyjnie i odpowiedzialne odlewy do turboodrzutowych silników lotniczych: części turbin, segmenty pierścieni uszczelniających turbin w ich wysokotemperaturowych obszarach i inne (rys. ) [, 6]. Celem artykułu jest przedstawienie zmian strukturalnych, jakie przebiegają w odlewach ze stopu na osnowie kobaltu poddanych oddziaływaniu temperatury w różnych przedziałach czasowych. * Dr inż. Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa Politechniki Rzeszowskiej.

2 Z. A. Opiekun Rys.. Odlewy precyzyjne segmentów pierścieni uszczelniających Fig.. Precisely cast barrier segment of thermal shields Rys.. Wielowarstwowa forma ceramiczna po zalaniu jej stopem kobaltu; T f temperatura początkowa WFC Fig.. Multilayer ceramic shell mould after cast cobalt alloy; T f beginning temperature MCS. BADANIA WŁASNE.. Materiał do badań Odlewy wytwarzano ze stopu kobaltu typu MAR-M50, którego podstawowy skład chemiczny jest następujący: Co-0,6C-4Cr-Ni-W-3,5Ta-0,Ti- -0,5Zr-0,0B. Stop ten należy do serii odlewniczych stopów kobaltu charakteryzujących się najlepszymi żarowytrzymałymi właściwościami [, 4, ]. Badania strukturalne prowadzono na odlewach w postaci płytek. Otrzymano je przez przetopienie i odlanie do wielowarstwowych form ceramicznych (WFC, rys. ) samonośnych o temperaturze 00 C. Płytki wytwarzano według metody wytapiania modeli woskowych wsadu w postaci wałków ( Master-heat ) ze stopu MAR-M50. Wytop prowadzono w wysokiej próżni (0, Tr), w cyrkonowym tyglu ( Zircoa 300 ), w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości ( Leybold-Heraus JS30/SP). Próbki płytkowe miały wymiary mm. Skład stopu określony metodą spektralnej analizy widmowej był następujący: Co-0,6C-,3Cr-,0Ni-,W-3,Ta-0,36Zr-0,Ti-0,43Fe-0,00B... Metodyka badań Mikrostrukturę odlewów płytkowych w stanie odlanym oraz po obróbce cieplnej według różnych wariantów badano na zgładach metalograficznych uzyskanych przez polerowanie mechaniczne, trawienie elektrolityczne (50- -procentowy wodny roztwór HNO 3, napięcie ok. V) i trawienie w odczynniku

3 Przemiany fazowe w odlewach z żarowytrzymałego stopu na osnowie kobaltu Marble a z dodatkiem 50% stężonego HCl. W badaniach wykorzystano mikroskop optyczny Neophot- oraz SEM połączony z przystawką EDS. Korzystając z folii uzyskanych przez polerowanie elektrolityczne, wykonano badania z użyciem TEM. Rentgenowską analizę strukturalną prowadzono na próbkach litych za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego (Bruker D Advance). Do ilościowej analizy strukturalnej odlewu wykorzystano metody metalografii ilościowej metodę punktową []. Udział objętościowy faz w analizowanym stopie obliczono z zależności: k Vx Px = nx 0%, () k z i = gdzie: V x, P x, n x odpowiednio, średni udział objętościowy, powierzchniowy i liczba punktów przypadających na dany typ fazy, k liczba przyłożeń siatki, z = 45 liczba węzłów siatki. Błąd bezwzględny obliczono z zależności: ( P ) Px x δ = t α 0%, () k z gdzie t α to współczynnik (przyjęto wartość,6) określony za pomocą całki Gaussa dla przyjętego prawdopodobieństwa (poziomu ufności) α = 0,5, oznaczającego, że rzeczywisty błąd bezwzględny nie będzie przekraczał obliczonej wartości δ. Przebieg zmian strukturalnych zachodzących w odlewach analizowano w oparciu o badania dylatometryczne. Próbki (φ5 50 mm) nagrzewano w piecu wysokotemperaturowego dylatometru typu 04 (BAHR GERATE BAU) w atmosferze argonu z szybkością 6 C. 3. WYNIKI BADAŃ Makrostruktura i mikrostruktura odlewu płytkowego z analizowanego stopu kobaltu (rys. 3 i 4) składają się z dendrytycznych ziaren austenitu kobaltowego γ, płytek heksagonalnej fazy A3 oraz nieregularnej eutektyki potrójnej (γ + + M 3 C 6 + MC) zalegającej na ich granicach. Punktowa ilościowa mikroanaliza rentgenowska (tabl. ) wykazuje zmiany stężenia pierwiastków stopowych w austenicie kobaltowym γ. Obszary środkowe dendrytów γ charakteryzują się większymi zawartościami W i Cr w porównaniu z obszarami przygraniczni wokół pierwotnych faz węglikowych.

4 0 Z. A. Opiekun Rys. 3. Makrostruktura przekroju wzdłużnego (a) i mikrostruktury (bd) odlewu płytkowego o grubości 4 mm ze stopu kobaltu;,, 3 obszary mikroanalizy rentgenowskiej Fig. 3. Macrostructure longitudinal section of 4 mm thickness plate (a) and microstructures (bd) cobalt as cast condition alloy (,, 3, microanalyses area) Tablica Zawartość pierwiastków stopowych w analizowanych obszarach, i 3 (średnia z trzech pomiarów, rys. 3d) Chemical composition in areas, and 3 (Fig. 3d, on the average from third measurements) Obszar Składniki stopowe [%] analizy C Cr Ni W Ta Co 3 0,5 (3,) 0, (,) 0, (3,) 4,3(,),(,3) 3,3(5,0), (,3), (,),6 (,0), (6,4),5 (3,) 4, (,5) 0,5 (0,) ślady ślady W nawiasach podano zawartość pierwiastków stopowych w procentach atomowych. reszta reszta reszta Wygrzewanie odlewów z analizowanego stopu w wysokiej temperaturze (5060 C) w czasie ok. 4 h prowadzi do stopniowego rozpuszczania pierwotnych węglików typu M 3 C 6 w austenicie kobaltowym γ. Węgliki typu MC ulegają sferoidyzacji i niewielkim zmianom ilościowym (tabl., rys. 5). Krzywe dylatometryczne nagrzewnia odlewów do temperatury 60 C i wytrzymywania w niej przez ok. 40 min oraz nagrzewania do temperatury 40 C i wytrzymywania w niej przez ok. 550 min (uprzednio szybko chłodzonego stopu z 60 C/4 h/h O) pokazano na rys. 6.

5 Przemiany fazowe w odlewach z żarowytrzymałego stopu na osnowie kobaltu Rys. 4. Dyfraktogramy otrzymane z próbki analizowanego stopu kobaltu: a) faza typu MC, b) faza typu M 3 C 6, c) faza γ, d) faza heksagonalna A3; promieniowanie monochromatyczne λcok α Fig. 4. Diffractograms from cobalt cast alloy: a) MC type phase, b) M 3 C 6 type phase, γ phase, d) A3 hexagonal phase; monochromatic radiation λcok α

6 Z. A. Opiekun Rys. 5. Wpływ temperatury wygrzewania odlewów kobaltowych na średni udział objętościowy węglików pierwotnych w ich mikrostrukturze Fig. 5. Effect of temperature cast cobalt alloy warming on the primary carbides average volume fraction in the microstructure Tablica Liczba węzłów siatki przypadających na poszczególne fazy, udział objętościowy faz (V X ) oraz błędy bezwzględne analizy (δ, %) Number points of net fall on the phases, phase volume fraction (V X ) and absolute error of analysis (δ, %) Położenie siatki k Wygrzewanie [ C] Liczba węzłów n n ( M3C6 ) n n ( MC) ( M3C6 ) n n ( MC) ( M3C6 ) n n ( MC) ( M3C6 ) n ( MC) n x P x V x [%] 4,3,,0,0,5,0 0,6, δ [%] ±0,4 ±0, ±0,34 ±0, ±0, ±0, ±0, ±0,

7 Przemiany fazowe w odlewach z żarowytrzymałego stopu na osnowie kobaltu 3 Rys. 6. Dylatogramy próbek ze stopu kobaltu w stanie odlanym: a) nagrzewanie do temperatury 60 C, b) izotermiczne wytrzymywanie w temperaturze 60 C, c) nagrzewanie do temperatury 40 C, d) izotermiczne wytrzymywanie w temperaturze 40 C Fig. 6. Dilatogram curves of cobalt cast alloy in as cast condition; a) warming up to the temperature 60 C, b) isothermal standing at temperature 60 C, c) warming up to the temperature 40 C, d) isothermal standing at temperature 40 C Zmiany mikrostruktury odlewów z analizowanego stopu spowodowane różnymi parametrami obróbki cieplnej przedstawiono na rys. i. Rys.. Mikrostruktury odlewu ze stopu kobaltu po wygrzaniu w temperaturze 00 C/4 h/h O i starzeniu w temperaturze 50 C/0 h/powietrze, uzyskane z: a) mikroskopu świetlnego, b) b ) TEM oraz c) dyfrakcja elektronowa z węglika wtórnego D, d) wskaźnikowany obraz dyfrakcyjny Fig.. Microstructure cast cobalt alloy after warming at 00 C/4 h/h O and ageing at 50 C/0 h/air light microscope a), TEM b) b ), electron diffraction from D area c), diffraction pattern d)

8 4 Z. A. Opiekun Rys.. Mikrostruktura odlewu ze stopu kobaltu po wygrzaniu w temperaturze 50 C/4 h/h O + + wygrzewanie w temperaturze 3 C/ h/powietrze: a) mikroskop świetlny, b) SEM; mikrostruktura tego samego stopu po wygrzaniu w temperaturze 60 C/4 h/h O i starzeniu w temperaturze 5 C/450 h/powietrze: c) SEM, d) TEM, e) dyfrakcja elektronowa z obszaru D, f) wskaźnikowany obraz dyfrakcyjny (SWW strefa wolna od wydzieleń) Fig.. Microstructure cast cobalt alloy after warming at temperature 50 C/4 h/h O + warming at 3 C/ h/air, light microscope a), SEM b), warming at 60 C/4 h/h O and ageing at 5 C/450 h/air SEM c), TEM d), electron diffraction from D area e), diffraction pattern f) (PFZ precipitation free zone) 4. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ Krystalizacja odlewów z analizowanego stopu kobaltu przebiegała objętościowo w warunkach braku równowagi, czego wynikiem jest duża segregacja składników stopowych, zaburzenie wzrostu ziaren dendrytycznych fazy γ i tworzenie się cienkich płytek fazy o strukturze heksagonalnej (rys. 4d). Obszary środkowe ziaren są wzbogacone w wolfram i chrom (tabl. ) i zawierają szerokie wstęgi błędów ułożenia (rys. b, b ). Mikrostruktura odlewów ze stopu kobaltu składa się z niejednorodnych dendrytycznych ziaren fazy γ i zalegającej na ich

9 Przemiany fazowe w odlewach z żarowytrzymałego stopu na osnowie kobaltu 5 granicach nieregularnej potrójnej eutektyki (γ + M 3 C 6 + MC) o udziale procentowym M 3 C 6 :MC = 4,5:, (tabl., rys. 5). Wygrzewanie odlewów w wysokiej temperaturze (5060 C) w czasie 4 godzin prowadzi do stopniowego rozpuszczania w fazie γ węglików pierwotnych typu M 3 C 6. Węgliki typu MC ulegają sferoidyzacji i niewielkim zmianom ilościowym (rys. a, b). Zmiany udziału objętościowego węglików pierwotnych typu M 3 C 6 w fazie γ w funkcji temperatury dobrze opisuje równanie o postaci (współczynnik korelacji R = 0,): % M 3 C 6 =,5 ln T + 4,5, gdzie T temperatura wygrzewania odlewów w zakresie 5060 C. Nagrzewanie odlewów w stanie odlanym wywołuje zaburzenia na krzywej dylatometrycznej (punkty, na rys. 6a) w zakresie temperatury 5000 C. W strukturze odlewów w tym zakresie temperatury zachodzi aktywowany cieplnie proces dyfuzji węgla, łączenie się wakansów w kolonie i poszerzanie istniejących w fazie γ błędów ułożenia. Od temperatury 0050 C (punkty, 3 na rys. 6a) następuje heterogeniczne zarodkowanie na błędach ułożenia, koagulacja (pogrubianie się) węglików wtórnych typu M 3 C 6 oraz rozpuszczanie się wykrystalizowanych w nadmiarze węglików pierwotnych typu M 3 C 6 (rys. a, b). Podwyższanie temperatury wygrzewania odlewów powoduje zmniejszenie szerokości strefy wolnej od wydzieleń (SWW), gdyż następuje szybszy zanik wakansów na granicy: rozpuszczający się pierwotny węglikosnowa oraz szybsze wyrównywanie się stężenia pierwiastków stopowych w zubożonych przygranicznych obszarach węglików. Uzyskanie równowagi fazowej w temperaturze 60 C następuje po wygrzaniu odlewu przez ok. 5 min (punkt 4 na rys. 6b). Nagrzewanie wcześniej szybko chłodzonych odlewów (z temperatury 60 C/4 h/h O do temperatury 40 C; rys. 6c, d) oraz długotrwałe wygrzewanie w tej temperaturze wpływa na obniżenie zakresu temperatury migracji wakansów, dyfuzji węgla i wydzielania wtórnych węglików typu M 3 C 6 ( C, punkty, na rys. 6c) oraz ich koagulacji (rys. 6d i rys. b, b ). Pierwotne węgliki typu MC stanowią miejsca, do których dyfundują pierwiastki przeprowadzone do roztworu stałego podczas wygrzewania odlewów w wysokiej temperaturze (60 C/4 h/h O). Charakterystyczne wygięcie granicy międzyfazowej (rys. d) świadczy o tym, że proces dyfuzji pierwiastków z fazy γ zachodzi w przeciwną stronę niż migrująca granica międzyfazowa dużego kąta []. Takiemu procesowi sprzyja większa gęstość dyslokacji obserwowana na granicy międzyfazowej. Długotrwałe starzenie w temperaturze 5 C wywołuje przebieg odwrotny, czyli wzrost wtórnych węglików typu MC na pierwotnych węglikach typu MC (rys. d) według reakcji: austenit γ (Co, Ni, Ta, W) + + MC pierwotne MC pierwotne + MC wtórne + austenit γ (Co, Ni, W).

10 6 Z. A. Opiekun LITERATURA [] Baufeld B., Tzimas E., Mullejans H., Peteves S., Bressers J., Stamm W., Thermal mechanical fatigue of MAR-M 50 with a thermal barrier coating, Mat. Sci. and Eng., 00, A 35, s. 33. [] Cwajna J., Opiekun Z., Orłowicz W. i in., Opracowanie i wdrożenie technologii wytwarzania krytycznych stacjonarnych części silników lotniczych z przetapianych i odlewanych próżniowo nadstopów kobaltu. Projekt celowy, KBN, nr 6 T C/0603 (PC-3/RM-/003) (niepublikowane). [3] Czekaj U., Garbacz-Klempka A., Krótki rys historyczny odlewania metodą wytapianych modeli oraz jej współczesne formy związane z otrzymywaniem złożonych konstrukcyjnie i o wysokim stopniu jednorodności struktury precyzyjnych odlewów ze stopów aluminium, in: IX Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Odlewnictwa Metali Nieżelaznych. Nauka i technologia, Mikoszyn, czerwiec, 006, s. 34. [4] Fischmeister H. F., Danzer R., Buchmayer B., High Temperature Alloys for Gas Turbines and Other Applications. Part I, Dordrecht, Reidel 6, s [5] Górny Z., Czynniki wspomagające wykorzystanie odlewów. Wykład wygłoszony i opublikowany z okazji przyznania tytułu doktora honoris causa AGH im. S. Staszica, Kraków 00. [6] Opiekun Z., Kształtowanie struktury i właściwości mechaniczne żarowytrzymałych odlewniczych stopów kobaltu, Rzeszów, Wyd. Politechniki Rzezowskiej 005. [] Rezai-Arita F., Dambrine B., Remy L., Thermal fatigue of MAR-M 50 superalloy II. Evaluation of life prediction models. Fatigue Fract, Eng. Mat. Struct.,,, s. 30. [] Ryś J., Stereologia materiałów, Kraków, Wyd. Fotobit Design 5. [] Zięba P., Rola składu chemicznego w przemianach fazowych typu nieciągłego, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, 6, 345. Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. inż. Michał Szweycer PHASE TRANSFORMATIONS IN HEAT-RESISTANT COBALT CASTING ALLOY S u m m a r y The article presented structure changes of casts cobalt alloy: Co-0,6C-,3Cr-,0Ni-,W- -3,Ta-0,36Zr-0,Ti-0,43Fe-0,00B after heat treatment different various. The cast warming in the high temperature at 60 C/4 h going to primary carbides M 3 C 6 type dissolved, spheroidizing and partially dissolving primary carbides MC type in γ phase. The casts warming in lower temperature, the secondary incoherent carbides M 3 C 6 type precipitation along stacking fault in the matrix of the alloy. Key words: MAR-M50 cobalt alloy, heat-treatment, microstructure