141/18 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 1642-5308 ZUŻYCIE KAWITACYJNE I EROZYJNE WYBRANYCH INETRMETALICZNYCH STOPÓW ODLEWNICZYCH NA OSNOWIE Ni 3 Al D. ZASADA 1, Z. BOJAR 2, R. JASIONOWSKI 3 Wojskowa Akademia Techniczna ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań zużycia kawitacyjnego i erozyjnego wybranych stopów odlewniczych na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al. Badania prowadzono na materiale w stanie po odlewaniu oraz po procesie homogenizacji w temperaturze 1200 C w czasie do 10h. Stwierdzono, że proces niszczenia warstwy wierzchniej podczas zużycia kawitacyjnego i erozyjnego analizowanych stopów ma zbliżony charakter. Key words: Ni 3 Al intermetallics, microstructure transformation, cawitation, erosion 1. WPROWADZENIE Stopy na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al cechują się zespołem właściwości fizyko-chemicznych [1-4], pozwalających zaliczyć je do grupy materiałów specjalnych nowej generacji. Do podstawowych zalet tych stopów należą: odporność na utlenianie i nawęglanie, wysoka wytrzymałość zmęczeniowa, wysoka odporność na pełzanie, bardzo dobra odporność na zużycie ścierne i na korozję [5-6]. Ponadto istotną zaletą intermetali z układu Ni-Al jest niski koszt materiałowy, z uwagi na wysoką zawartość aluminium. W literaturze brak jest opisu efektów niszczenia warstwy wierzchniej stopów intermetalicznych Ni 3 Al na skutek oddziaływania kawitacyjnego i erozyjnego. Celem badań podjętych w odniesieniu do grubokrystalicznych stopów odlewniczych na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al, był opis zużycia kawitacyjnego i erozyjnego warstwy wierzchniej. Problem ten jest bardzo istotny, ze względu na perspektywy wykorzystania tworzyw intermetalicznych na elementy 1 dr inż., d.zasada@wme.wat.edu.pl 2 dr hab. inż., z.bojar@wme.wat.edu.pl 3 mgr inż., rjasion@am.szczecin.pl 349
urządzeń i maszyn poddanych oddziaływaniu przepływających cieczy i strumieni cząstek stałych. 2. MATERIAŁ I METODY BADAWCZE Przedmiotem badań były stopy intermetaliczne (% wag.): Ni-12.6Al-1.57Zr- 0.05B-8.1Cr (IM-Cr) i Ni-10.9Al-1.22Mo-0.22Zr-0.03B-6.9Cr-12Fe (IM-Cr/Mo/Fe). Analizę mikrostruktury prowadzono przy użyciu mikroskopu skaningowego Philips XL30 (LaB 6 ) na materiałach w stanie po odlewaniu i homogenizacji w czasie do 10 godzin w atmosferze powietrza, w temperaturze 1200 C. Badania erozji kawitacyjnej przeprowadzono na urządzeniu strumieniowo-uderzeniowym, stosując próbki w kształcie walców o średnicy 20mm. Próbki mocowano do ramion wirnika, równolegle do osi strumienia wody tłoczonej pod ciśnieniem 0.06MPa przez dyszę o średnicy 10 mm, oddaloną od krawędzi próbki o 1.6mm. Natężenie przepływu wody było stałe i wynosiło 1.55m 3 /godz. Kompleksowe badania zużycia erozyjnego przeprowadzono w strumieniu sprężonego powietrza z udziałem cząstek stałych SiO 2. Strumień mieszanki pyłowo-powietrznej o prędkości wypływu 35m/s, skierowany był pod kątem 45 na powierzchnie robocze badanych próbek o wymiarach 21x16mm. W badaniach wykorzystano wydatek cząstek ściernych w ilości 5x1000 g/ próbkę (pięciokrotne powtórzenie testu erozyjnego dla każdej próbki). Pomiary twardości realizowano za pomocą twardościomierza Brinella-Vickersa HPO-50 kulką o średnicy 2.5mm przy obciążeniu 613N, natomiast pomiary mikrotwardości wykonano przy użyciu mikrotwardościomierza Shimadzu stosując obciążenie 100G w czasie 10 sekund. 3. WYNIKI BADAŃ Badaniom poddano dwa różne stopy intermetaliczne Ni 3 Al charakteryzujące się złożoną, pod względem morfologicznym, budową wielofazową. W osnowie tych stopów, w stanie po odlewaniu, można wyróżnić strefy podstawowej objętościowo fazy γ, a w przypadku stopu IM-Cr występujące obok niej strefy (γ +γ Cr )(gdzie: γ Cr - roztwór wtórny typu γ wzbogacony w chrom), (porównaj rys. 1a z 1b). Mikrotwardość faz tworzących osnowę zawiera się w przedziale 300-330HV0.1. Stwierdzono ponadto, w obu analizowanych stopach, występowanie po granicach krystalitów i w przestrzeniach międzydendrytycznych znacznego udziału obszarów dwufazowych γ +β (o twardości na poziomie 400-500HV0.1 - rys. 1). W wyniku przeprowadzonego procesu homogenizacji nastąpiło w przypadku stopu IM-Cr częściowe ujednorodnienie składu chemicznego, powodujące przede wszystkim zanikanie obszarów γ +γ Cr oraz zmianę morfologii obszarów dwufazowych γ +β (porównaj rys. 1a z rys. 2a). Poza zaobserwowanymi zmianami morfologicznymi stwierdzono również znaczny wzrost mikrotwardości obszarów γ +β (wzrost do ok. 600HV0.1), jednocześnie bez istotnych zmian w poziomie umocnienia faz stanowiących osnowę tego stopu. 350
W przypadku stopu IM-Cr/Mo/Fe zaobserwowano, że wyraźna zmiana morfologii obszarów dwufazowych γ +β, w wyniku procesu homogenizacji (porównaj rys. 1b z rys. 2b), nie wiąże się ze zmianami w udziale powierzchniowym analizowanych faz (wyniki pomiarów ilościowych w pracy [7], natomiast powoduje obniżenie twardości obszarów dwufazowych γ +β (do ok. 400HV0.1), jak i osnowy opisywanego stopu (do ok. 250HV0.1). a) γ Cr b) γ γ +β γ γ +β Rys. 1. Mikrostruktura w stanie po odlewaniu: a) stop IM-Cr b) stop IM-Cr/Mo/Fe Fig. 1. Microstructure of IM-Cr (a) and IM-Cr/Mo/Fe alloy in as-cast condition (b) a) b) γ γ +β γ Cr γ γ +β Rys. 2. Mikrostruktura po homogenizacji: a) stop IM-Cr b) stop IM-Cr/Mo/Fe Fig. 2. Microstructure of IM-Cr (a) and IM-Cr/Mo/Fe after homogenisation 1200 C/10h (b) W początkowym stadium testu kawitacyjnego, pod wpływem oddziaływania strugi cieczy roboczej w badanych materiałach pojawiają się typowe efekty niszczenia powierzchni. Są to między innymi bardzo wyraźne ślady odkształcenia plastycznego, szczególnie podatnej plastycznie osnowy γ (rys. 3). 351
γ +β γ Rys. 3. Mikrostruktura warstwy wierzchniej stopu IM-Cr w początkowym etapie niszczenia kawitacyjnego Rys. 3. Microstructure of surface layer IM- Cr alloy in incubation period Efekty erozji kawitacyjnej obserwowane w warstwie wierzchniej wykazują bardzo wyraźny związek z mikrostrukturą badanych stopów. W przypadku opisywanej grupy stopów intermetalicznych istotnie twardsze obszary dwufazowe (γ +β) tworzą z reguły wypiętrzenia, w związku z efektem wymywania bardziej podatnej na oddziaływanie strumienia cieczy (o mniejszej twardości i większej plastyczności) osnowy γ lub γ Cr. Powoduje to bardzo wyraźną zmianę chropowatości warstwy wierzchniej a zarazem zmianę rzeczywistego kąta padania strumienia cieczy roboczej w mikroobszarach powierzchni badanych próbek. Obserwacje mikroskopowe i topograficzne wskazują, że pierwsze ubytki i mikropęknięcia powstają przede wszystkim na styku obszarów dwufazowych z osnową analizowanych stopów. Przy sprzyjającej orientacji krystalograficznej niektórych ziaren względem kierunku padania strug cieczy dochodzi do pocieniania materiału w strefie granic krystalitów osnowy (rys. 3), odkształcenia plastycznego, a wreszcie lokalnych mikroubytków na granicach międzyfazowych γ /(γ +β) (rys. 4a). Dopiero w dalszym okresie oddziaływania cieczy z powierzchnią materiału następuje wykruszanie się krytycznie umocnionych stref γ, γ +γ Cr oraz proces pękania i odrywania fragmentów lub większych obszarów badanej powierzchni (rys. 4b). Mikropęknięcia zainicjowane w strefach granic ziaren i granic międzyfazowych rozwijają się przede wszystkim w osnowie γ badanych stopów, prowadząc w konsekwencji do wypiętrzania obszarów dwufazowych (γ +β) (rys. 4b). Na podstawie przeprowadzonych obserwacji fraktograficznych można stwierdzić, że odrywanie krytycznie umocnionych obszarów osnowy γ badanych stopów intermetalicznych następuje w wyniku niszczenia zmęczeniowego, czego potwierdzeniem są prążki zmęczeniowe występujące na powierzchniach wykruszenia materiału. Przeprowadzone obserwacje warstwy wierzchniej badanych próbek po homogenizacji, potwierdzają występowanie analogicznych mechanizmów inicjowania procesu degradacji powierzchni. Należy jednak odnotować, że proces wygrzewania 352
ujednoradniającego bardzo wyraźnie podnosi odporność kawitacyjną obu analizowanych stopów (rys. 5). a) b) γ γ γ +β γ +β Rys. 4. Topografia warstwy wierzchniej: a) miejsca inicjacji mikropęknięć w stopie IM- Cr/Mo/Fe, b) wypiętrzone obszary dwufazowe w stopie IM-Cr Rys. 4. Surface layer topography: a) microcracing incubation of IM-Cr/Mo/Fe alloy, b) uplifted two-phase regions of IM-Cr alloy 120 100 FeAl23 ubytek masy m [mg] 80 60 40 20 0 0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 990 1080 1170 FeAl45 BM12733 BA1055 IM-Cr po odlewaniu IM-Cr homogenizowany IM-Cr/Mo/Fe po odlewaniu IM-Cr/Mo/Fe homogenizowany 1260 czas trwania próby [min] 1350 1440 1530 1620 1710 1800 1890 1980 2070 2160 2250 2340 2430 2520 2610 2700 2790 2880 2970 Rys. 5. Porównanie stopnia zniszczenia kawitacyjnego stopów Ni 3 Al ze stopami FeAl oraz z brązami Fig. 5. Comparison of the results of cavitation erosion intermetallic alloys Ni 3 Al with FeAl and copper-base alloys Proces zużywania erozyjnego, w początkowym etapie oddziaływania strumienia mieszaniny pyłowo-powietrznej, objawia się przede wszystkim wbijaniem 353
twardych cząstek stałych SiO 2 w miękką osnowę γ' lub γ'+γ' Cr analizowanych stopów (rys. 6). W wyniku dalszego oddziaływania strumienia pyłowo-powietrznego z warstwą wierzchnią stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al, zarówno w przypadku stanu po odlewaniu jak i po homogenizacji, następuje mechaniczne niszczenie powierzchni poprzez bruzdowanie, rysowanie i kruszenie znacznie twardszych obszarów dwufazowych (γ +β) (rys. 7a). Zaobserwowany proces wybijania bądź kruszenie obszarów dwufazowych (γ +β) następuje przede wszystkim w punktach potrójnego styku ziaren lub na granicach przejścia miękkiej osnowy w prawie dwukrotnie twardsze obszary dwufazowe (rys. 7b). SiO 2 γ'+β Rys. 6. Mikrostruktura warstwy wierzchniej odlanego stopu IM-Cr/Mo/Fe po początkowym etapie testu erozjnego Fig. 6. Microstructure of surface layer IM- Cr/Mo/Fe intermetallic after erosion a) b) Rys. 7. Topografia warstwy wierzchniej zniszczonej erozyjnie IM-Cr/Mo/Fe po homogenizacji: a) ślady odkształceń plastycznych b) ślady wykruszeń po granicach ziaren Fig. 7. IM-Cr/Mo/Fe after homogenisation surface layer a) plastic strain tracec b) trace of crumble along grain boundaries 354
Na podstawie przeprowadzonych badań zużycia erozyjnego badanych stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al stwierdzono, że ubytek masowy próbek w stanie po odlewaniu i po homogenizacji kształtuje się na porównywalnym poziomie (rys. 8). Dodatkowo przeprowadzone pomiary udziału powierzchniowego wbitych w powierzchnię cząstek stałych SiO 2 wskazują jednak, że w materiał po homogenizacji wbija się około dwukrotnie więcej cząstek stałych niż w stanie po odlewaniu. Powyższy efekt, podobnie jak w przypadku kawitacji, można bezpośrednio powiązać ze strukturą opisywanych stopów, a szczególnie z udziałem powierzchniowym miękkiej osnowy i jej twardością. 0,03 Ubytek masowy [g] 0,02 0,01 0 0 1 2 3 4 IM-Cr po odlewaniu IM-Cr homogenizowany Stan materiału IM-Cr/Mo/Fe po odlewaniu IM-Cr/Mo/Fe homogenizowany Rys. 8. Odporność na zużycie erozyjne stopów Ni 3 Al Fig. 8. Erosion resistance of Ni 3 Al intermetallic alloys 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań zużycia kawitacyjnego i erozyjnego wybranych stopów odlewniczych Ni 3 Al można stwierdzić, że: pierwsze mikropęknięcia w wyniku oddziaływania strugi cieczy powstają na styku obszarów dwufazowych (γ +β) z osnową stopu; w dalszym okresie oddziaływania cieczy z powierzchnią materiału następuje proces kruszenia i odrywania fragmentów krytycznie umocnionej osnowy oraz obszarów dwufazowych (γ +β); powierzchnia po dłuższym oddziaływaniu cieczy roboczej nosi wyraźne ślady niszczenia zmęczeniowego; proces homogenizacji w istotny sposób obniża podatność analizowanych stopów na zużycie kawitacyjne; 355
proces zużycia erozyjnego, w początkowym etapie oddziaływania strumienia mieszanki pyłowo-powietrznej, obejmuje przede wszystkim wbijanie twardych cząstek stałych SiO 2 w osnowę typu γ stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al; podatność badanych stopów na wbijanie cząstek ścierniwa podczas erozji jest istotnie większa po procesie homogenizacji; niszczenie warstwy wierzchniej analizowanych stopów intermetalicznych, w efekcie procesu erodowania, przebiega na skutek rysowania, bruzdowania oraz przede wszystkim wykruszania obszarów dwufazowych γ +β; wykruszanie obszarów dwufazowych γ +β następuje w sposób uprzywilejowany w punktach potrójnego styku ziaren lub na granicach przejścia miękkiej osnowy w obszary dwufazowe; Niniejsza praca była częściowo finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w ramach projektu nr PBG-KBN-0T00C 024 26. LITERATURA [1] J.Bystrzycki, R.A.Varin, Z.Bojar, Inżynieria Materiałowa, 5, 1996, s. 137. [2] S.C. Deevi and V.K. Sikka, Intermetallics, 1996, 4, p. 357. [3] D. Zasada, Z. Bojar, T. Czujko, P. Jóźwik: Wpływ składu chemicznego oraz obróbki plastycznej i cieplnej na zużycie ścierne stopów na osnowie fazy Ni 3 Al. Archiwum Odlewnictwa PAN Katowice Nr 7 Rok 2003. s. 8 (323-330). [4] D.Zasada Z.Bojar, P.Jóźwik, Wpływ składu chemicznego i struktury na właściwości mechaniczne stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Ni 3 Al, BIULETYN WAT, 11, 2002, s. 31-44. [5] D. Zasada, Z. Bojar,: Wpływ stanu materiału na właściwości korozyjne stopów na osnowie Ni 3 Al, INŻYNIERIA MATERIAŁOWA, 6, 2001, s. 486-489. [6] D. Zasada, Z. Bojar, T. Czujko, P. Jóźwik: Wpływ składu chemicznego oraz obróbki plastycznej i cieplnej na zużycie ścierne stopów na osnowie fazy Ni 3 Al. Archiwum Odlewnictwa PAN Katowice Nr 7 Rok 2003. s. 8 (323-330). [7] Z.Bojar, P.Jóźwik, D.Zasada, The analysis of chemical composition and heat treatment parameters influence on structural transitions and fracture behaviour of as-cast Ni 3 Al phase based intermetallic alloys, ACTA METALLURGICA SLOVACA 2/2002, pp.432-437. CAVITATION AND EROSION WEAR OF AS-CAST INTERMETALLIC Ni 3 Al ALLOY SUMMARY The results of a cavitation and erosion wear in the as-cast intermetallic Ni 3 Al alloys are presented in this paper. Investigations were carried out both for as-cast and material after homogenization treatment. It was found that destroyed of surface layer at cavitation and erosion wear analyzed intermetallic alloys had the same characteristics. Recenzował: Prof. Wojciech Przetakiewicz 356