38/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA WPŁYWU WYSOKOTEMPETARTUROWEGO WYARZANIA NA CECHY MIKROSTRUKTURY WYBRANYCH NADSTOPÓW NA OSNOWIE NIKLU W. DZIADUR 1, A. TABOR 2, A. REPECKI 3 Instytut Inynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska im. T. Kociuszki, al. Jana Pawła II nr 37, 31-864 Kraków STRESZCZENIE W pracy zbadano wpływ długotrwałego wyarzania na mikrostruktur dwóch rónicych si składem chemicznym nadstopów na osnowie niklu. Stwierdzono wysok stabilno ich struktury na długotrwałe (1500 h) i wysokotemperaturowe (900 C) wyarzanie. Key words: superalloys, heat treatment, microstructure 1.WPROWADZENIE Uzyskiwana struktura w zalenoci od składu chemicznego i technologii wytwarzania nadstopów posiada decydujce znaczenie dla ich własnoci fizyko chemicznych ( zwłaszcza odporno na pełzanie i utlenianie wysokotemperaturowe) [1-2, 4, 8]. Współczesne nadstopy na bazie niklu zawieraj ponad kilkanacie pierwiastków, tak dobranych aby w warunkach pracy zapewni astabilny i umocniony austenit, wgliki i fazy midzymetaliczne (główne, Ni 3 X: Al, Ti, Nb, Ta) [6]. Fazy wglikowe (obok fazy ) wywieraj istotny wpływ na umocnienie nadstopów jak i ich strukturaln stabilno w wyniku zmiany ich morfologii pod 1 dr in., wdziadur@mech.pk.edu.pl 2 dr in., atabor@mech.pk.edu.pl 3 in., olekrepetski@poczta.onet.pl
wpływem eksploatacji. Dlatego badane nadstopy róniły si zawartoci wgla i podstawowych pierwiastków wglikotwórczych (Ti, Cr). Celem niniejszych bada było okrelenie stabilnoci mikrostruktury wybranych nadstopów na osnowie niklu po wysokotemperaturowym wyarzaniu. 2. MATERIAŁ DO BADA Do bada uyto dwa nadstopy o osnowie niklowej, których skład chemiczny podano w tab. 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanych nadstopów Table 1. Chemical composition of investigated superalloys Nr. Skład chemiczny nadstopów [% wag.] nadstopów C Cr W Ti Al Fe Si Ni 1 0,6 29,5 7,8 1,9 1,7 5,7 0,55 52,25 2 1,3 30 7,5-1,5 - - 59,7 Badane nadstopy zostały odlane w postaci piercionków których przeznaczeniem było zastosowanie na przylgnie zaworowe silników spalinowych metod wytapianych modeli. Otrzymane nadstopy poddano wyarzaniu w 900 0 C przez okres 1500 h. Wzmiankowan obróbk ciepln przeprowadzono w atmosferze otoczenia. 3. METODYKA BADA Analiza cech mikrostrukturalnych nadstopów zarówno bez jak i po obróbce cieplnej polegała na konwencjonalnych badaniach metalograficznych, przy pomocy mikroskopu optycznego (MO, MeF-2;prod. austriackiej) i elektronowego skaningowego (SEM, JSM5510LV; prod. japoskiej). Obserwacje przeprowadzono na zgładach poprzecznych oraz wytrawionych elektrolitycznie nadsiarczanem amonu. Analiz składu chemicznego jakociow jak i ilociow faz i wydziele wystpujcych w badanych nadstopach przeprowadzono za pomoc przystawki EDS (XRF prod. USA) - do mikroanalizy połczonej z mikroskopem skaningowym. Wykonano analiz jakociow, której wyniki przedstawiono graficznie w postaci rozkładu powierzchniowego pierwiastków oraz analiz ilociow punktow. 4. WYNIKI BADA Mikrostruktura nadstopu ozn. nr. 1 bez obróbki cieplnej z mikroskopu optycznego została przedstawiona na rys. 1a. Obserwacje mikroskopowe wskazuj na wystpowanie znacznej liczby wglików o odmiennej morfologii. Morfologia wglików zmienia si od blaszek przez eutektyki do wydziele o heksagonalnym kształcie. 344
Mikrostruktury omawianego nadstopu z mikroskopu skaningowego potwierdzaj wystpowanie wyej opisanych wglików, których typowe kształty przedstawiono na rys. 1b,c,d. Obserwacje osnowy badanego nadstopu, przy duych powikszeniach ujawniły wystpowanie w niej fazy (rys. 1c). Na rys. 2 przedstawiono analiz jakociowa podstawowych pierwiastków wchodzcych w skład stopu, w postaci rozkładu powierzchniowego analizowanych pierwiastków w poszczególnych wydzieleniach. Rozkład ten potwierdził fakt wystpowania fazy, której głównym składnikiem jest Ni, najprawdopodobniej o wzorze Ni 3 (Al,Ti). Analizowana mikrostruktura badanego nadstopu jest bardzo bogata w wgliki typu MC szczególnie TiC, obserwuje si ponadto blaszkowate oraz eutektyczno-podobne wgliki bogate w Cr i W. a) MO b) SEM c) SEM d) SEM Rys. 1. Mikrostruktura badanego nadstopu o nr. 1 przed obróbk ciepln Fig. 1. Microstructure of the investigated superalloy no. 1 before and after heat treatment 345
SEM Si Ti Cr Fe Ni Rys. 2. Analiza jakociowa składu chemicznego badanego nadstopu o nr.1 przed obróbk ciepln Fig. 2. Quality microanalysis investigated superalloy no. 1 before heat treatment 346
Mikrostruktura omawianego nadstopu po obróbce cieplnej jest przedstawiona na rys. 3a (MO) oraz na rys. 3b,c,d (SEM). Mikrostruktura analizowanego nadstopu jest bardzo zbliona do badanego stopu bez obróbki cieplnej. Analiz jakociow podstawowych pierwiastków wchodzcych w skład nasdtopu po obróbce cieplnej przedstawiono na rys. 4. Rozkład powierzchniowy pierwiastków w poszczególnych wydzieleniach jest analogiczny jak w stopie przed obróbk ciepln. W mikrostrukturze przedstawionej na rys. 4 dominujc faz, s wgliki MC TiC, natomiast w osnowie wystpuje faza. Interesujcym faktem jest, e Si dyfunduje do wglików tytanu, a elazo do osnowy. Ponadto obserwuje si wzrost złoonych wglików Cr i W. a) MO b) SEM c) SEM d) SEM Rys. 3. Mikrostruktura badanego nadstopu o nr 1 po obróbce cieplnej Fig. 3. Microstructure of the investigated superalloy no. 1 after heat treatment 347
SEM Fe Cr Ni Si Ti Rys.4. Analiza jakociowa składu chemicznego badanego nadstopu o nr.1 po obróbce cieplnej Fig. 4. Quality microanalysis of superalloy no. 1 after heat treatment Ilociowe analizy badanego nadstopu odpowiednio przed jak i po obróbce cieplnej potwierdzaj jakociowe obserwacje, a szczególnoci wzrost iloci (po OC), złoonych wglików. 348
Nadstop oznaczony nr 2 przy powikszeniu MO i przy wikszych powikszeniach (SEM), wykazuj budow o iglastym (paczkowatym) ułoeniu faz (rys. 5). W strukturze dominuj wgliki bogate w Cr (rys. 6). Jakociowa analiza tego nadstopu wskazuje na dominujcy udział fazy wglikowej i przy obecnoci dyspersyjnej fazy (rys. 6). a) MO b) SEM c) SEM d) SEM Rys. 5. Mikrostruktura badanego nadstopu o nr 2 przed obróbk ciepln Fig. 5. Microstructure of the investigated superalloy no. 2 before heat treatment W analizowanym przypadku równie stwierdza si na niewielki wpływ obróbki cieplnej na zmiany mikrostrukturalne. Obserwuje si nieznaczn koagulacj faz wglikowych (rys. 7d). Ponadto nieznaczne wzbogacenie fazy wglikowej w Cr (rys. 8). Brak istotnych zmian składu chemicznego osnowy jak i wglików potwierdzaj ilociowe pomiary mikroanalizy rentgenowskiej. 349
SEM Al Cr Ni Rys. 6. Analiza jakociowa składu chemicznego badanego nadstopu o nr 2 przed obróbk ciepln Fig. 6. Quality microanalysis of superalloy no. 2 before heat treatment a) MO b) SEM c) SEM d) SEM Rys. 7. Mikrostruktura badanego nadstopu o nr 2 po obróbce cieplnej Fig. 7. Microstructure of the investigated superalloy no. 2 after heat treatment 350
SEM Al Ni Cr Rys. 8. Analiza jakociowa składu chemicznego badanego nadstopu o nr 2 po obróbce cieplnej Fig. 8. Quality microanalysis of superalloy no. 2 after heat treatment 5. WNIOSKI Długotrwałe wyarzanie (utlenianie na sucho) w temperaturze 900 0 C przez okres 1500h nie prowadzi do wyranych zmian cech mikrostruktury badanych nadstopów. Sugeruje to na moliwo utylitarnego zastosowania badanych stopów. LITERATURA [1] M. Blacharski: Wstp do inynieri materiałowej, Wydawnictwo N-T, Warszawa 2001. [2] M. Blacharski: Inynieria materiałowa stal, Wydawnictwo N-T, Warszawa 2004. [3] B. Ciszewski, W. Przetakiewicz: Nowoczesne materiały w technice, Wydawnictwo Bellona, Warszawa 1993. 351
[4] L. A. Dobrzyski: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Wydawnictwo N-T, Gliwice Warszawa 2002. [5] M. J. Donachie: Superalloys Source Book, Ed. Am.Soc. for Metals, 1984, Ohio. [6] A. Hernas, A. Maciejny: arowytrzymałe stopy metali, Wydawnictwo PAN, Wrocław 1989. [7] B. Mikołowski: Stopy aroodporne i arowytrzymałe- nadstopy, Wydawnictwo AGH, Kraków 1997. [8] S. Mrowec, T. Werber: Nowoczesne tworzywa arowytrzymałe, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa1968. [9] B. Surowsza: Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozj, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2002. [10] C. T. Sims, W. C. Hagel: The Superalloys, Ed. John Wiley & Sons, New York, London, Sydney, Toronto,1972. [11] H. H. Uhlig: Korozja i jej zapobieganie, Wydawnictwo N-T, Warszawa 1976. THE INVESTIGATIONS OF HIGH TEMPERATURE ANNIEALING ON THE MICROSTRUCTURE OF SUPER ALLOYS SUMMARY The role of long term and high temperature annealing on the changes of the microstructure Ni-base superalloys have been discussed in the paper. Recenzował: prof. Józef Dako. 352