WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI MECHNICZNE STOPU NA OSNOWIE FAZY MIĘDZYMETALICZNEJ Ni 3 Al (Zr, B)

Transkrypt

1 124/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI MECHNICZNE STOPU NA OSNOWIE FAZY MIĘDZYMETALICZNEJ Ni 3 Al (Zr, B) P. JÓŹWIK 1, D. ZASADA 2, Z. BOJAR 3 Wojskowa Akademia Techniczna, ul. Kaliskiego 2, Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań stopu na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al (Zr, B) z dodatkami stopowymi Zr i B, poddanego obróbce cieplnej. Stosując długotrwałe wygrzewanie ujednoradniające w temperaturze 1000 O C i 1200 O C w czasie do 100 godzin, w atmosferze powietrza lub argonu, stwierdzono istotny wpływ temperatury i zauważalny środowiska wygrzewania na strukturę i właściwości mechaniczne badanego stopu. Key words: Ni 3 Al intermetallics alloy, microstructure transformation, homogenization, annealing, mechanical properties 1. WPROWADZENIE Mała gęstość, wysoka wytrzymałość i dobra odporność na utlenianie czynią stopy na osnowie faz międzymetalicznych (intermetali) atrakcyjnym materiałem na elementy maszyn pracujące w podwyższonej temperaturze oraz w środowisku korozyjnym. Większość intermetali wykazuje jednak niską plastyczność, małą odporność na kruche pękanie oraz skłonność do tworzenia przełomu międzykrystalicznego w temperaturze otoczenia, co ogranicza ich praktyczne wykorzystanie [1-2]. Stopy na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al wykazują, w porównaniu ze stosowanymi powszechnie żarowytrzymałymi stopami na bazie niklu (nadstopami), znacznie lepszą wytrzymałość zmęczeniową, wyższą wytrzymałość w podwyższonej temperaturze przy dużej prędkości odkształcenia, relatywnie niską gęstość i wysoką odporność na utlenianie. Materiały te znalazły, jak dotąd, zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, maszynowym i lotniczym. Przeznaczone są głównie na elementy turbosprężarek, 1 dr inż., p.jozwik@wme.wat.edu.pl 2 dr inż., d.zasada@wme.wat.edu.pl 3 dr hab. inż., z.bojar@wme.wat.edu.pl 249

2 zawory, gniazda zaworowe i tuleje cylindrowe silników spalinowych (m.in.: firmy AP Cummins Engine Company, PCC Airfoils), matryce i tłoczniki, osprzęt pieców do obróbki cieplno-chemicznej (m.in.: General Motors, Oak Ridge National Laboratory) a także, po krystalizacji kierunkowej, na łopatki turbin silników odrzutowych (m.in.: General Electric, Beijing Institute of Aeronautical Materials) [1-2]. Celem niniejszej pracy jest analiza efektów modyfikacji mikrostruktury badanego stopu na bazie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al poprzez obróbkę cieplną a także ocena wpływu zmian mikrostruktury na właściwości mechaniczne. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Materiał badań stanowił stop na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al o składzie chemicznym: Ni-11,5Al-0,46Zr-0,02B (% wt.). Próbki w stanie po odlewaniu poddano wygrzewaniu ujednorodniającemu w czasie do 100 godzin w temperaturze 1000 O C w atmosferze powietrza oraz w temperaturze 1200 O C w atmosferze powietrza lub argonu. Próbki, po cięciu elektroerozyjnym, szlifowano i polerowano mechanicznie a następnie trawiono odczynnikiem Marble. Analiza mikrostruktury i wielkości udziałów powierzchniowych poszczególnych faz została przeprowadzona przy pomocy analizującego mikroskopu skaningowego Philips XL30 (LaB 6 ) oraz mikroskopu optycznego Neophot 2. Dodatkowo przeprowadzono badania mające na celu określenie stopnia uporządkowania dalekiego zasięgu LRO (z ang. long-range order) poprzez porównanie względnych intensywności par refleksów nadstruktury (100/200) na dyfraktogramach uzyskanych dla stanu po odlewaniu i po wygrzewaniu ujednoradniającym (1200 O C/100h/argon), zgodnie z równaniem: LRO I S I S F bad = I F ref I S I F ref I I S I F bad gdzie: iloraz całkowitej intensywności refleksów od płaszczyzn krystalograficznych odpowiednio {100} i {200} w materiale referencyjnym (o większym stopniu uporządkowania) (ref), iloraz całkowitej intensywności refleksów ww. płaszczyzn w materiale badanym (bad) o mniejszym stopniu uporządkowania w odniesieniu do materiału referencyjnego (ref) [3]. Dla stwierdzenia wpływu obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne badanego stopu, na próbkach w stanie po odlewaniu i po homogenizacji w temperaturze 1200 O C w czasie 100 godzin, w atmosferze argonu przeprowadzono statyczną próbę rozciągania. Badania twardości zrealizowano metodą Vickers'a przy użyciu obciążenia 10kG w czasie 10s, wykonując dla każdej z próbek po 10 pomiarów. 3. WYNIKI BADAŃ Badany stop na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al (Zr, B) w stanie po odlewaniu charakteryzuje się złożoną, dwufazową strukturą dendrytyczną. Osnowę stopu stanowią duże dendrytyczne krystality (średnia średnica ekwiwalentna rzędu 4 mm) uporządkowanego roztworu wtórnego γ na bazie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al. Prze- 250

3 strzenie międzydendrytyczne wypełnia mieszanina fazy γ i fazy γ- nieuporządkowanego roztworu stałego aluminium w sieci niklu (rys.1a) [4-5]. a b γ + γ γ γ Rys. 1. Dendrytyczna morfologia krystalitów fazy γ i rozmieszczenie fazy γ w obszarach dwufazowych (a); zanik obszarów (γ + γ ) po homogenizacji w temperaturze 1200 O C w atmosferze argonu w czasie 50 godzin Fig. 1. γ dendrites morphology and γ location in two-phase regions (a); disappearance of (γ + γ ) regions after homogenization at 1200 O C in air for 50 hours (b) Wygrzewanie ujednoradniające badanego stopu w temperaturze 1000 O C, w czasie 50 i 100 godzin, w atmosferze powietrza prowadzi do częściowego ujednorodnienia składu fazowego (przemiana γ γ ) wyrażającego się stopniowym zmniejszaniem udziału powierzchniowego obszarów dwufazowych (γ + γ ) po 100-godzinnym wygrzewaniu udział ten kształtuje się na poziomie 20 % (rys.2a, tab.1). Nie wpływa natomiast na zmianę kształtu dendrytów pierwotnych krystalitów. W trakcie wygrzewania w temperaturze 1200 O C, już po 10 godzinach udział obszarów dwufazowych (γ + γ ) zmniejsza się do zaledwie 6%, a po 50 godzinach zarówno w atmosferze powietrza, jak i argonu następuje całkowite ujednorodnienie mikrostruktury stopu do fazy γ (rys.1b, tab.1). Temperatura wygrzewania ma więc bardziej istotny wpływ na ujednorodnienie składu fazowego badanego stopu niż czas obróbki - już po 10 godzinach wygrzewania w temperaturze 1200 O C uzyskano ponad trzykrotnie mniejszy udział obszarów dwufazowych (γ + γ ) w mikrostrukturze, niż po 100 godzinach wygrzewania w temperaturze 1000 O C (rys.2a). Stwierdzono, że przebieg zmian twardości stopu Ni 3 Al (Zr, B) jest w funkcji czasu wygrzewania w temperaturze 1000 lub 1200 O C jakościowo podobny do zachodzących zmian udziału objętościowego obszarów (γ + γ ) (rys.2a i b), przy czym powyżej czasu wygrzewania równego 50 godzin wpływ temperatury na twardość staje się mało istotny (rys.2b). Oznacza to, że przebudowa fazowa struktury jest ważnym, ale nie jedynym czynnikiem odpowiedzialnym za zmiany twardości stopu. Potwierdza to również rys.2c, z którego wynika, że przy bardzo małych (porównywalnych) udziałach obszarów dwufazowych (γ + γ ) (uzyskanych po czasie wygrzewania od 10 do 100 godzin w temperaturze 1200 O C) twardość stopu jest znacząco różna. Takie zachowanie sygnalizuje istotny wpływ stopnia uporządkowania struktury dominującej objętościowo fazy γ. 251

4 Homogenizacja badanego stopu postępuje także poprzez porządkowanie fazy γ i dążenie do osiągnięcia jednofazowej struktury γ. Mechanizm ten potwierdzają wyniki mikroanalizy składu chemicznego obszarów wypełnionych przez fazę γ i mieszaninę faz (γ+γ ), która nie wykazała istotnych zmian zawartości podstawowych pierwiastków składowych (tabela 1). a b c Rys. 2. Zmiana udziału powierzchniowego obszarów dwufazowych (γ + γ ) badanego stopu w funkcji parametrów wygrzewania ujednoradniającego (a); zmiana twardości stopu Ni 3 Al (Zr, B) w funkcji parametrów wygrzewania ujednoradniającego (b); zmiana twardości stopu Ni 3 Al (Zr, B) w funkcji udziału powierzchniowego obszarów dwufazowych (γ + γ ) (c) Fig. 2. Changes of (γ + γ ) surface share versus time of homogenization treatment at 1000 O C or 1200 O C (a); changes of Ni 3 Al (Zr, B) hardness value versus parameters of homogenization treatment (b); dependence of hardness value on (γ + γ ) surface share in Ni 3 Al (Zr, B) structure (c) Zjawisko porządkowania potwierdzono ostatecznie poprzez określenie względnego parametru uporządkowania dalekiego zasięgu LRO, na podstawie porównania intensywności wiązki dyfrakcyjnej ugiętej na płaszczyznach {100} i {200} [3]. Dla materiału po odlewaniu uzyskano wartość tego parametru równą 0,26 względem stanu po homogenizacji (1200 O C/100h/argon), potraktowanego jako układ odniesienia (wartość LRO=1). Atmosfera, w jakiej prowadzona jest homogenizacja, zauważalnie wpływa na twardość badanego stopu. Stwierdzono statystycznie istotny wpływ tlenu, poprzez zjawisko dynamicznego utleniania, na twardość próbek poddanych wygrzewaniu w temp O C- w atmosferze powietrza (130 HV10) lub w atmosferze argonu (119 HV10) (rys. 2a). W celu stwierdzenia wpływu obróbki cieplnej na inne poza twardością właściwości 252

5 mechaniczne badanego stopu, przeprowadzono, dla granicznych stanów materiału (tj. po odlewaniu i po 100-godzinnym wygrzewaniu w temperaturze 1200 O C, w atmosferze argonu), statyczną próbę rozciągania. Materiał w stanie po odlewaniu charakteryzuje się wydłużeniem względnym na poziomie 7 % przy granicy plastyczności 340 MPa i doraźnej granicy wytrzymałości na rozciąganie rzędu 540 MPa (tab.2). Proces 100- godzinnej homogenizacji w temperaturze 1200 O C, w atmosferze argonu prowadzi do poprawy plastyczności badanego stopu stwierdzono ok. 10% obniżenie granicy plastyczności do wartości rzędu 300 MPa i ponad dwukrotny przyrost wydłużenia względnego. Jednocześnie obserwowano (względem stanu po odlewaniu) wzrost o 40% wytrzymałości materiału na rozciąganie (tab.2). Tabela 1. Skład chemiczny i parametry strukturalne (przykładowo dla obszarów oznaczonych na rys. 1) oraz zróżnicowanie mikrotwardości obszarów jedno i dwufazowych badanego stopu Table 1. Chemical composition and characteristic of phases (for regions marked in fig. 1) Stan materiału po odlewaniu Strefa analizy Analizowany pierwiastek [% at.] Ni Al Udział powierzchniowy obszarów dwufazowych (γ + γ ) [%] Względny parametr uporządkowania dalekiego zasięgu LRO HV 0,1 γ 75,86 24, ± ,26 γ + γ 79,42 20, ± 12 po wygrzewaniu γ 75,86 23, ± O C/100h/pow. γ + γ 78,43 21, ± 10 po wygrzewaniu 1200 O C/100h/argon γ 75,59 24, (stan odniesienia) Tabela 2. Parametry wytrzymałościowe uzyskane w statycznej próbie rozciągania badanego stopu w temperaturze pokojowej, w atmosferze powietrza (wartości średnie) Table 2. Setting up of mechanicals parameters obtained as a result of alloy tensile testing at room temperature, in air (mean value) Stan materiału Wytrzymałość na rozciąganie[mpa] Granica plastyczności [MPa] Wydłużenie [%] po odlewaniu po wygrzewaniu 1200 O C/100h/argon PODSUMOWANIE Na podstawie wyników przeprowadzonych badań mo+żna stwierdzić istotny wpływ obróbki cieplnej na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne badanego stopu na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al z dodatkiem Zr i B. Długotrwałe wygrzewanie homogenizujące badanego materiału prowadzi do całkowitego ujednorodnienia składu fazowego poprzez porządkowanie fazy γ (stopniowa przemiana γ γ ) i dążenie do jednofazowej struktury γ. Mechanizm ten został po

6 twierdzony zarówno poprzez mikroanalizę składu chemicznego, zmiany twardości, jak również ostatecznie poprzez określenie względnego parametru uporządkowania dalekiego zasięgu LRO. Stwierdzono, że temperatura wygrzewania ma istotny wpływ na proces homogenizacji badanego stopu, znacząco większy niż czas i środowisko obróbki. Atmosfera, w jakiej prowadzone jest wygrzewanie, zauważalnie wpływa na twardość badanego stopu zjawisko to powiązano z procesem dynamicznego utleniania. W trakcie statycznej próby rozciągania w temperaturze pokojowej, w atmosferze powietrza uzyskano dla materiału w stanie po odlewaniu wydłużenie względne na poziomie 7 %, przy granicy plastyczności 340 MPa i doraźnej granicy wytrzymałości na rozciąganie rzędu 540 MPa. W wyniku 100-godzinnej homogenizacji w temperaturze 1200 O C, w atmosferze argonu uzyskano poprawę plastyczności badanego stopu (względem stanu po odlewaniu) stwierdzono ponad dwukrotny przyrost wydłużenia względnego, przy obniżeniu granicy plastyczności o 10 % (do wartości rzędu 300 MPa). Jednocześnie uzyskano wzrost o 40% wytrzymałości materiału na rozciąganie (do poziomu 800 MPa). LITERATURA [1] J. Bystrzycki, R.A.Varin, Z. Bojar: Postępy w badaniach stopów na bazie uporządkowanych faz międzymetalicznych z udziałem aluminium, Inżynieria Materiałowa, 5, 1996, s [2] V.K. Sikka, S.C. Deevi, S. Viswanathan, R.W. Swindeman, M.L. Santella, Advances in processing of Ni 3 Al-based intermetallics and applications, Intermetallics 8, 2000, [3] H. Bakker, G.F. Zohu, H. Yang, Mechanically driven disorder and phase transformations in alloys, Progress in Materials Science, vol. 39, 1995, [4] Z. Bojar, P. Jóźwik, D. Zasada: Wpływ obróbki cieplnej i cieplno-plastycznej na strukturę i wybrane właściwości mechaniczne stopów na bazie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al, Inżynieria Materiałowa, Nr 1, 2001, s [5] Z. Bojar, P. Jóźwik, D. Zasada: Wpływ warunków homogenizacji stopu na bazie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al na jego podatność do odkształcenia plastycznego, Zeszyty Naukowe PAN Krzepnięcie metali i stopów, 42, 2000, s INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON THE STRUCETURE AND ME- CHANICAL PROPERTIES OF Ni 3 Al INTERMETALLLIC ALLOY SUMMARY The results of investigations of Ni 3 Al based intermetallic, alloyed with zirconium and boron, after its heat treatment are presented in this paper. Critical influence of annealing on microstructure and mechanical properties of investigated alloy has been found, using 100-hours lasting homogenisation in air or argonium atmosphere. Recenzował: Prof. Wojciech Przetakiewicz 254