STRUKTURA STOPÓW NA OSNOWIE FAZ. MIĘDZYMETALICZNYCH Z UKŁADU Ni-Al PO PRZETAPIANIU LASEROWYM

Transkrypt

1 26/42 Soidification o f Metais and Aoys, Year 2000, Voume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metai i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 P AN-Katowice, PL ISSN STRUKTURA STOPÓW NA OSNOWIE FAZ MIĘDZYMETALICZNYCH Z UKŁADU Ni-A PO PRZETAPIANIU LASEROWYM Tomasz CZUJKO, Dariusz ZASADA, Zbigniew BOJAR Wojskowa Akademia Techniczna, u. Kaiskiego2, Warszawa STRESZCZENIE w pracy przedstawiono wpływ wiązki asera co2 średniej mocy, pracującego w sposób ciągły, na strukturę stopów międzymetaicznych z układu Ni 3 A ł o zróżnicowanym składzie chemicznym. Przedstawiono także zmiany umocnienia materiału w strefie wpływu ciepła i przetopie w stosunku do materiału rodzimego. WPROWADZENIE Stopy na bazie fazy NiAI, krystaizujące w uporządkowanej strukturze typu B2, interesujące ze wzgędu na wysoką temperaturę topnienia oraz mały ciężar właściwy, są stosunkowo kłopotiwe w przetwarzaniu i ich rozpowszechnienie przemysłowe wymaga rozwiązania szeregu probemów podstawowych i technoogicznych. Niemniej udane próby wytworzenia ze stopów na bazie NiAI monokrystaicznych łopatek turbin siników odrzutowych oraz drobnoziarnistych materiałów poikrystaicznych (na drodze metaurgii proszków) wskazują na potencjaną przydatność tych stopów jako tworzyw konstrukcyjnych. Sposób wytwarzania i przetwarzania intermetai wpływa w decydującym stopniu na ich właściwości i późniejsze zachowanie w ekspoatacji. Generanie, wytwarzanie i przetwarzanie intermetai wymaga stosowania najbardziej zaawansowanych technoogii. W wyniku intensywnych badań i prób technoogicznych stwierdzono, że korzystne efekty podczas wytwarzania (pokonanie probemu znacznej różnicy

2 234 temperatury topnienia składników stopowych, skłonności do uteniania, segregacji składu chemicznego i porowatości wewka) stopów na bazie faz międzymetaicznych uzyskuje się stosując takie metody, jak: topienie łukowe ub indukcyjne (w próżni ub pod osłoną gazów obojętnych) i przetapianie eektrożużowe z kasycznym odewaniem (Ti3A, TiAI, Ni3A, Fe3A, Nb3AI, NbsSi3), monokrystaizacja i krystaizacja kierunkowa (NiA, Ti2NbA, Ti3AffiAI), PVD (stopy na bazie tytanu), natryskiwanie ciepne (Ni3A, NiA, FeAI, Fe3AI), stopowanie mechaniczne i metaurgię proszków stopowych (wszystkie typy faz) oraz syntezę proszków eementarnych z wykorzystaniem reakcji egzotermicznej (Ni3AI, MoSi2, FeAI) [1-3]. Na etapie przetwarzania (wysoka stabiność struktury będąca podstawową zaetą ekspoatacyjną stopów intermetaicznych utrudnia w tym przypadku ujednorodnienie składu chemicznego, przemiany fazowe i rozdrobnienie ziarna), w zaeżności od rodzaju stopu, wykorzystuje się metodę HIP, obróbkę pastyczną na zimno, ciepło i gorąco, wyciskanie na gorąco materiałów itych i proszków, obciążenie wybuchowe materiałów itych i prasowanie wybuchowe proszków. Rosnące zainteresowanie stopami na osnowie faz międzymetaicznych sprawia, iż okreśenie zmian strukturanych występujących, w tej grupie materiałów, podczas oddziaływania wysokoenergetycznego źródła ciepła jakim jest wiązka aserowa jest probemem ważkim ze wzgędu na stworzenie podwain do opracowania technoogii spawania aserowego bądź modyfikacji warstwy wierzchniej tych tworzyw konstrukcyjnych. CHARAKTERYSTYKA STOPÓW NA OSNOWIE FAZ MIĘDZYMETALICZNYCH Z UKŁADU NI-AL Stopy intermetaiczne, w tym również z układu Ni-A, stanowią g rupę tworzyw metaicznych, które ze wzgędu na mieszany charakter wiązat1 międzyatomowych (wiązania metaicznego, kawajencyjnego i jonowego) charakteryzują się szeregiem właściwości pasujących je pomiędzy metaami a cermetaami i ceramiką [4]. Na unikany charakter tych materiałów składają s i ę następujące cechy użytkowe: wysoki moduł sprężystości, którego wartość maeje znacznie woniej ze wzrostem temperatury, w porównaniu do kasycznych stopów, małą gęstość, wysoką temperaturę topnienia, wysoką odporność na utenianie, mały współczynnik samodyfuzji warunkujący wysoką odporność na pełzanie i korozję. Niezaeżnie od szeregu zaet jakimi charakteryzuje się ta grupa materiałowa, stopy te do niedawna posiadały istotny mankament jakim była niska pastyczność w temperaturze pokojowej. Jednakże, nieustannie doskonaone

3 235 technoogie otrzymywania oraz poprawy pastyczności stopów intermetaicznych sprawiły, iż w przypadku niektórych faz np. Ni 3 AI., Fe 3 AI uzyskiwane charakterystyki właściwości mechanicznych są w pełni zadawaające. CHARAKTERYSTYKA ZMIAN STRUKTURALNYCH TOWARZYSZĄCYCH PRZETAPIANIU LASEROWEMU METALI Zmiany strukturane występujące podczas aserowego przetapiania metai uwarunkowane są przede wszystkim: parametrami wiązki aserowej (głównie da aserów o małej mocy tj. poniżej kw, gdzie proces prowadzi się przy małej prędkości przesuwu wiązki wzgędem materiału, a przetapianie ma charakter przewodnościowy) [5], składem chemicznym, strukturą wyjściową materiału i układem fazowym, w jakim może występować (skłonność do powstawania drobnodyspersyjnych struktur dendrytycznych, możiwość występowania przemian bezdyfuzyjnych oraz rozdrobnienie ub rozrost ziarna w obszarze oddziaływania wiązki aserowej). Najbardziej typowym rodzajem zmian mikrostruktury w strefie przetapianej wiązką aserową jest jej rozdrobnienie i krystaizacja w formie dendrytycznej. Zjawisko to, obserwuje się zarówno, w staach niskowęgowych [6], staach stopowych [7], żeiwie szarym [8], stopach tytanu [6, 9], jak i żaroodpornych stopach typu Incone [10]. Drugim, bardzo ważnym rodzajem zmian strukturanych towarzyszących przetapianiu aserowemu, jest powstawanie struktur martenzytycznych. Zmiany tego typu obserwowano w stopach tytanu jedno- i dwufazowych [6, 9], gdzie w wyniku drastycznie dużych szybkości chłodzenia w obszarze spoiny powstawała metastabina faza ex'. Natomiast rozrost ziarna w strefie oddziaływania wiązki aserowej (często powodujący znaczna kruchość spoiny), występuje podczas spawania miedzi, stai transformatorowej oraz niektórych stopów auminium [117 13]. Obserwowany w tych pracach około dwukrotny wzrost wiekości ziarna w spoinie, w stosunku do wiekości ziarna w materiae rodzimym, niekiedy posiadał charakter rozrostu zdeterminowanego poprzez kierunek odpływu ciepła. Jednakże, w wieu przypadkach zmiany strukturane mają charakter złożony: obserwuje się wówczas, w zaeżności od parametrów obróbki aserowej, strukturę komórkową ub dendrytyczną [8]. Bardzo często też, powstawaniu struktury dendrytycznej w obszarze spomy towarzyszy przemiana typu martenzytycznego [6, 9].

4 236 METODYKA BADAŃ I WARUNKI OBRÓBKI LASEROWEJ Badania prowadzono na grupie stopów międzymetaicznych Ni 3 A, w stanie anym o zróżnicowanym składzie chemicznym przedstawionym w tabei. Tabea. Skład chemiczny badanych stopów typu Ni 3 A Oznaczenie Skład chemiczny w% wag. stopu Mo Cr Ni A Zr B A B c Próbki przygotowano w postaci płaskowników o grubości 6mm. Próby przetapiania aserowego reaizowano na stanowisku złożonym z asera co2 o maksymanej mocy 2.5 kw, pracującego w sposób ciągły oraz sprzężonego z nim stołu o programowanych ruchach w osiach (x,y,z,rot). Wiązkę asera skupiano soczewkami ZnSe o ogniskowej 5" osiągając w ognisku gęstość mocy powyżej 3.0 MW/cm 2. W trakcie prowadzenia procesu stosowano gaz osłonowy-argon, doprowadzany współosiowo z wiązką asera, którego wydatek był reguowany i utrzymywany kontroerem przepływu. Doświadczenie reaizowano wiązką aserową o mocy P = 1.5 kw, przy szybkości przesuwu materiału wzgędem wiązki v = m/min, oraz ogniskując wiązkę na powierzchni przetapianych bach. Badania strukturane wykonano na zgładach metaograficznych poprzecznych w stosunku do przetopu płaszczyzny bachy. Obserwacje mikroskopowe prowadzono za pomocą mikroskopu optycznego stosując powiększenia x. Natomiast identyfikacji fazowej poszczegónych eementów strukturanych dokonano za pomocą mikroskopu skaningowego firmy Phiips XL-30 LaB 6, wyposażonego w detektory eektronów wtórnych i odbitych oraz przystawkę do rentgenowskiej mikroanaizy składu chemicznego EDAX. Pomiary zmian umocnienia w strefie przetopu w stosunku do materiału rodzimego reaizowano za pomocą mikrotwardościomierza Shimadzu stosując obciążenie IOOG i czas pomiaru Os. CHARAKTERYSTYKA MATERIALU RODZIMEGO Badania krystaizacji przetopów aserowych reaizowano na intermetaicznych stopach typu Ni 3 AI o zróżnicowanym składzie chemicznym: - stop dwuskładnikowy z niewiekimi dodatkami modyfikatorów w postaci boru i cyrkonu, oznaczony symboem A, - stop trójskładnikawy - modyfikowany w stosunku do stopu typu A chromem (8.1 % wag.) -oznaczany symboem B, -stop czteroskładnikowy - wzbogacony w porównaniu do stopu typu B moibdenem (1.35 % wag.)- oznaczany symboem C.

5 237 Materiał rodzimy badanych stopów charakteryzuje się, w zaeżności od składu chemicznego, wieofazową strukturą dendrytyczną (rys.2+-4). Stop typu A, składający się głównie ze składników bazowych jakimi są nikie i auminium oraz niewiekich iości pierwiastków modyfikujących właściwości granic ziaren w postaci boru i cyrkonu, posiada nieco nietypową (zdegenerowaną) strukturę dendrytyczną gdzie segregacji uega zasadniczo Zr (rys. 2a, 2b, tab. 2). Rys. 2. Przykład badanego stopu Ni 3 A z dodatkami Zr i B w stanie anym (stop A) Tabea 2. Wyniki mikroanaizy faz w obszarach oznaczonych na rysunku 2 Strefa Anaizowany pierwiastek[% at.] anaizy A Ni Zr Stop modyfikowany chromem (typ B) cechuje się wieofazową strukturą dendrytyczną, gdzie pierwiastkami segregującymi są zarówno cyrkon jak i chrom (rys. 3, tab. 3). Natomiast strukturę stopu typu C, wzbogaconego ponadto w moibden, stanowi faza Ni 3 AI modyfikowana chromem z obszarami dendrytycznej segregacji cyrkonu oraz miejscami występowania mieszaniny dwóch faz (rys. 4, tab. 4).

6 238 Rys. 3. Struktura stopu Ni 3 A modyfikowanego chromem w stanie anym (stop B) Tabea 3. Wyniki mikroanaizy składu chemicznego i pomiarów mikrotwardości faz w obszarach oznaczonych na rysunku 3 Strefa Anaizowany pierwiastek [%at.] Mikrotwardość Anaizy A Cr Ni Zr HV0.1 - (Ni,Cr)3(AI,Cr,Zr) ±19 2- (Ni,Cr) 3 (A,Zr) ±14 3-Ni 3 (AI,Cr) i ±36 (Ni,Cr)s(A,Crh Rys. 4. Struktura stopu Ni 3 AI modyfikowanego chromem i moibdenem w stanie anym (stop C)

7 239 Tabea 4. Wyniki mikroanaizy składu chemicznego i pomiarów mikrotwardo śc i faz w obszarach oznaczonych na rysunku 4 Strefa Anaizowany pierwiastek [% at.] Mikrotwardo ść anaizy A 1-(Ni,Cr)J(AI,Cr,Mo,Zr) (Ni,Cr)J(AI,Mo,Zr) (Ni,Cr) 3 (A I,Mo,Zr) + NiAI Ni Cr Mo Zr HVO ± ± ±30 a) :ro, , -: :m 0 2ID ;> :I: 270 :~2W o 'E ~ ~240 " m / : 1 ~ -- L :;210 :ID '-----'---'------'--...J..._-'----L J -1,5-1 -D,S O 0,5 1,5 2 Otgość 00 śnxk spiny b) o 5~ ~w :~ 4~ 'E400 ~ ~ 3~ e :m..:.: : m ffjj, , - / - ~ :m......,_......j... J., -2,5-2 -1,5 - -0,5 o 0,5 1,5 2 O~ć oośnxkł spiny c) 400, , ~ SJX>i11 -.: -2-1,5-1.{),5 o Q,5 1,5 2 Qegłość oośnx<a spiny Rys. 5. Rozkłady mikrotwa rd ośc i w materiae rodzimym, strefie wpływu c i e pła i obszarze przetopu stopu typu A - (a), stopu typu B- (b) oraz stopu typu C- (c)

8 240 WPLYW WIĄZKI LASEROWEJ NA STRUKTURĘ I MIKROTWARDOŚĆ PRZETOPÓW W STOPACH NI 3 AL Krystaizacja intermetaicznych stopów NhA, w nierównowagowych warunkach przetapiania aserowego (szybkość nagrzewania i chłodzenia dochodzi do 10 7 K/s), charakteryzuje się powstawaniem sinie niejednorodnych, drobnoziarnistych struktur. Zmianom tym towarzyszy zauważany wzrost mikrotwardości w strefie przetopu wzgędem materiału rodzimego (rys.5). W przypadku stopu typu A strukturę przetopu kształtują sinie wydłużone ziarna koumnowe, których kierunek wzrostu uwarunkowany jest kierunkiem odpływu ciepła. Z tego też wzgędu ziarna eżące w bezpośredniej styczności z inią wtopienia ułożone są prostopade w stosunku do niej (rys.6a). Natomiast ziarna znajdujące się w środku przetopu ułożone są zasadniczo równoege do kierunku ruchu wiązki (rys.6b, c). Sinemu, w stosunku do materiału bazowego, rozdrobnieniu struktury towarzyszy zachowanie segregacji cyrkonu jedynie w obszarze granic ziaren koumnowych (rys.6d, tab.5). Rys. 6. Przykład badanego stopu Ni 3 A z dodatkami Zr i B po przetapianiu aserowym: a - inia wtopienia wraz z ziarnami koumnowymi, b - ziarna koumnowe i struktura środka przetopu, c, d - struktura środka przetopu wraz z obszarami mikroanaizy składu chemicznego.

9 241 Tabea 5. Wyniki mikroanaizy faz w obszarach oznaczonych na rysunku 5 Strefa Anaizowannierwiastek [% at.] Anaizy A Ni Zr Natomiast struktura przetopów aserowych stopów trójskładnikowych (typu B) charakteryzuje się znacznym (ok. stukrotnym) rozdrobnieniem w porównaniu z dendrytyczną strukturą materiału rodzimego (rys. 7a, b). Ponadto nie zaobserwowano, jak to miało miejsce w przypadku stanu anego, występowania obszarów sinej segregacji chromu. Natomiast rozdrobnieniu uegły gałęzie dendrytów, gdzie podobnie jak w materiae rodzimym występuje segregacja cyrkonu (rys.7c, tab.6). Zaobserwowano także zanik obszarów wy stępowania mieszaniny dwóch faz. Rys. 7. Struktura stopu Ni 3 A modyfikowanego chromem po przetapianiu aserowym : a - inia wtopienia, b, c - struktura środka przetopu wraz z obszarami mikroanaizy składu chemicznego. Tabea 6. Wyniki mikroanaizy składu chemicznego i pomiarów mikrotwardości faz w obszarach oznaczonych na rysunku 6 Strefa Anaizowany pierwiastek [% at.] Anaizy A Cr Ni Zr 1- (Ni,Cr) 3 (A,Cr,Zr) (Ni,Crh(AI,Zr) Strukturę przetopów aserowych stopów modyfikowanych ponadto moibdenem (typ C) stanowią (podobnie jak w przypadku stopu składającego się zasadniczo ze składników bazowych) różnie zorientowane wzgędem siebie i inii wtopienia ziarna kournnowe (rys. 8a, b). Natomiast segregacja pierwiastków

10 242 stopowych (głównie cyrkonu i moibdenu występuje wzdłuż granic ziaren (rys. 8c, tab.7). Ponadto zaobserwowano także zanik obszarów występowania mieszaniny dwóch faz. Rys. 8. Struktura stopu Ni 3 AI modyfikowanego chromem i moibdenem po przetapianiu aserowym: a- przetop, b, c- struktura środka przetopu wraz z obszarami mikroanaizy składu chemicznego Tabea 7. Wyniki mikroanaizy składu chemicznego i pomiarów mikrotwardości faz w obszarach oznaczonych na rysunku 7 Strefa Anaizowany pierwiastek[% at.] anaizy A Ni Cr Mo Zr 1-(Ni,Cr)J(AI,Cr,Mo,Zr) (Ni,Crh(AI,Cr,Mo,Zr) (Ni,Cr)J(A,Cr,Mo,Zr) WNIOSKI. Krystaizacja stopów Ni 3 AI w stanie anym, w warunkach przetapiania aserowego, wiąże się z sinym rozdrobnieniem mikrostruktury w stosunku do materiału rodzimego. 2. W zaeżności od składu chemicznego badanych tworzyw metaicznych strukturę przetopu stanowią zdegenerowane gałęzie dendrytów (stop modyfikowany chromem) ub różnie zorientowane wzgędem siebie i inii wtopienia ziarna kournnowe (stop typu A i C). 3. Zmianom mikrostruktury w strefie przetopu towarzyszy wyraźny (ok. 25 %) wzrost umocnienia. 4. Segregacji wzdłuż granic ziaren ub w obszarze dendrytów kształtujących strukturę przetopów uega zasadniczo cyrkon. 5. Lokanemu wzrostowi zawartości chromu ub cyrkonu w przetopie towarzyszy spadek udziału auminium.

11 243 LITERATURA [] Semiatin S.L., Chesnutt. J.C., Austin C., Seetharaman V., Processing of in termetaic aoys. Structura Intermetaics The Minerał s, Metais & Materia s Societty, [2] George E.P., Liu C.T., Mechanica properties of Ni 3 AI and FeAI: Recent Deveopments. Structura Intermetaics The Mineras, Metais & Materias Societty, [3] Wiiams J.C., Intermetaics for structura appications; potentia, reaity and the road ahead. Structura Intermetaics The Mineras, Metais & Materias Societty, [4] Bystrzycki J., Varin R.A., Bojar Z., Postępy w badaniach stopów na bazie uporządkowanych faz międzymetaicznych z udziałem auminium. Inżynieria Materiałowa, 5( 1996). [5] P.A.Moian, T.S.Srivatsan, Laser Weding of High Moduus, Low Density A Li Aoys. 7th Internationa Congress on Appications of Laser and Eectrooptics ICALEO '88. [6] T.Czujko, W.Przetakiewicz, J.Hoffman, Z.Mucha, Anaiza efektów spawania aserowego bach ze stopów tytanu i stai. Przegąd Mechaniczny 20(1993.) [7] O.V.Akgun, O.T.Ina, M.L.Lovato, T.R.Jervis, Effect of aser surface meting on tensie properties of type 304L stainess stee. Scripta Metai. Mater. 27(1992). [8] N.Zarubova, V.Kraus, J.Cermak, Mechanism of phase transformations during aser treatment of grey cast iron. J. Mater. Sci. 27(1992). [9] O.V.Akgun, O.T.Ina, Laser surface meting of Ti-6AI-4V aoy. J. Mater. Sci. 27(1992). [10] P.A.Moian, Y.M.Yang, P.C.Patnaik, Laser weding of oxide dispersionstrengthened aoy MA 754. J. Mater. Sci. 27(1992). [11] T.Czujko, S.Jóźwiak,W.Przetakiewicz, W.Kaita, J.Hoffman, Badania struktury i właściwości mechanicznych złączy metai trudno spawanych uzyskanych metodą aserową. Biuetyn WAT 5-6(1995). [12] J.Hoffman, W.Kaita, Z.Mucha, T.Czujko, Laserowe spawanie bach z miedzi eektroitycznej ze staą nierdzewną. Przegąd Mechaniczny 7-8(1995). [13] B.Major, Laserowe spawanie stopów auminium. VII Krajowa Szkoła Optoeektroniki n.t."laserowe Technoogie Obróbki Materiałów", Gdańsk 1994.