BADANIA ŻAROODPORNOŚCI WYBRANYCH NADSTOPÓW NA OSNOWIE NIKLU

7/1 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 6, Rocznik 6, Nr 1(/) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 6, Volume 6, Nº 1 (/) PAN Katowice PL ISSN 16-38 BADANIA ŻAROODPORNOŚCI WYBRANYCH NADSTOPÓW NA OSNOWIE NIKLU W. DZIADUR 1, A. TABOR, A. REPECKI 3, K. KLIMEK Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska im. T. Kościuszki, al. Jana Pawła II nr 37, 31-86 Kraków STRESZCZENIE W pracy przebadano żaroodporność sześciu nadstopów na osnowie niklu w temperaturze 9 C przez okres 1 h w warunkach otaczającej atmosfery. Stwierdzono, że żaroodporność badanych nadstopów w niewielkim stopniu zależy od składu chemicznego. Dobrą odporność korozyjną i przyczepność produktów korozji do podłoża uzyskały nadstopy, których kinetyka utleniania spełniała zależność logarytmiczną. Nieco niższą odporność uzyskały pozostałe materiały, które podczas utleniania spełniały zależność paraboliczną. Key words: superalloys, high temperature corrosion, heat resistance 1. WSTĘP Współczesna technika wymaga budowy trwałych, niezawodnych konstrukcji, urządzeń i detali części maszyn pracujących w temperaturach przekraczających 1 C oraz w obecności atmosfer korozyjnych (przemysł chemiczny, lotniczy, motoryzacyjny energetyczny, petrochemiczny itp.). W szeregu przypadków rozwiązaniem problemu materiałowego konstrukcji jest zastosowanie nadstopu na osnowie niklu. Nadstopy na osnowie niklu obok wysokiej żarowytrzymałości odznaczają się wysoką odpornością korozyjną na szereg agresywnych środowisk (korozję chemiczną, 1 dr inż., wdziadur@mech.pk.edu.pl dr inż., atabor@mech.pk.edu.pl 3 inż., olekrepetski@poczta.onet.pl mgr inż., kala@tlen.pl

utlenianie na sucho). Jest to wynikiem wytworzenia przez nadstop w warunkach pracy warstwy ochronnej (zgorzeliny) cechującej się odpowiednim składem chemicznym zapewniającym dobrą zwartość i przyczepność do metalu podłoża Korozja gazowa przynosi w/w wymienionych przemysłach ogromne straty [1-]. Dlatego należy odpowiednio modelować składy chemiczne i struktury nadstopów aby zwiększyć zdolność powstawania zgorzeliny posiadającej najlepsze własności ochronne (np. związek chemiczny). Dodatkami takimi są np. Zn, Al., Si, Cr, Be, i Mg [-11]. Przydatnym w tym względzie są badania kinetyki korozji wysokotemperaturowej, które pozwalają określić mechanizm niszczenia korozyjnego, umożliwiając w ten sposób jednocześnie poznanie zachowania się badanego nadstopu w warunkach eksploatacyjnych i ewentualną korekcję jego składu chemicznego. Celem niniejszej pracy jest określenie odporności na utlenianie wysokotemperaturowe wybranych nadstopów na osnowie niklowej.. MATERIAŁ DO BADAŃ Skład chemiczny badanych nadstopów przedstawiono w tabeli 1. Wszystkie badane nadstopy posiadały osnowę niklową z różna zawartością węgla oraz Al i Si, a także pierwiastków węglotwórczych (Cr, Ti, W i Fe). Materiał badawczy w postaci pierścionków wykonano poprzez odlewanie precyzyjne metodą wytapianych modeli. Badania prowadzono w celu ewentualnego zastosowania w/w pierścionków na przylgnie zaworowe silników spalinowych. Tabela 1. Skład chemiczny badanych nadstopów Table 1. Chemical composition of investigated superalloys Nr. nadstopów Skład chemiczny nadstopów [% wag.] C Cr W Ti Al Fe B Si Ni 1,6 9, 7,8 1,9 1,7,7 -,, 1,18 8,8 7,9 1,8 1,7,7-1,1,71 3 1,18 31,1 7,,8 1,69 - -, 8,1 1, 9,3 7,6,83-1,1,68, 6,77 1,1 3,9 7, - 1,89 - -, 6,16 6 1,3 3 7, - 1, - - - 9,7 7 1,3 3 7, -,8 - - 1, 8,9 16

Wytapianie nadstopów o składach podanych w tabeli 1 przeprowadzono w piecu indukcyjnym średniej częstotliwości o pojemności kg i wykładzinie magnezytowej z dodatkiem 1,% kwasu borowego. Po roztopieniu wsadu, przegrzewano kąpiel metalową do temp. ok.17 o C, dodawano odtleniasz (Ca Si) w ilości ok.,3% w stosunku do masy wsadu. Następnie przystępowano do spustu metalu do wygrzanej kadzi odlewniczej i możliwie jak najszybciej zalewano wyżarzone formy pierścieni, tak aby uzyskać najwyższą temperaturę zalewania. Zalane i wystudzone formy wstawiano do urządzenia pneumatycznego i oddzielano (usuwano) masę ceramiczna od odlewów (zestawów odlewów), a po usunięciu maksymalnej ilości masy, zestawy piaskowano drobnym piaskiem kwarcowym w oczyszczarce pneumatycznej. 3. METODYKA BADAŃ Badanie wysokotemperaturowego utleniania wybranych nadstopów przeprowadzono w temperaturze 9 o C przez okres 118, h. Badane próbki umieszczono w pudełku ze stali żaroodpornej, które to następnie włożono do pieca sylitowego. Pomiar szybkości korozji badanych nadstopów przeprowadzono metodą wagową. Pomiar masy badanych nadstopów w badanym przedziale czasu wykonywany był siedmiokrotnie. Niezbędny czas na ostudzenie i dogrzanie próbek do temperatury pracy był uwzględniany w obliczeniach. 161

. WYNIKI BADAŃ Kinetykę procesu korozji chemicznej (utlenianie wysokotemperaturowe) analizowanych nadstopów przedstawiono na rys. 1. Przyrost masy, m [g]x 1-3 38 36 3 3 3 8 6 18 16 1 1 1 8 6 Co 1 3 6 7 1 3 7 6 Co 6 8 1 1 1 II. grupa nadstopów I. grupa nadstopów Rys. 1. Kinetyka wysokotemperaturowego utleniania badanych nadstopów. Fig. 1. Kinetics of high temperature corrosion of investigated superalloys. 16

Na wykresie (rys. 1), obok 7 nadstopów na osnowie niklu, zamieszczono dla porównania dane kinetyki korozji nadstopów na osnowie kobaltu. Badania tego nadstopu, podobnie jak nadstopu oznaczonego nr 7, przeprowadzono tylko do temperatury 6 o C, z uwagi na odpadanie warstewek utlenionych. Pod względem odporności na utlenianie badane nadstopy można podzielić na dwie grupy. Do grupy pierwszej (o największej szybkości utleniania) należą nadstopy oznaczone nr.: 1,,, natomiast do grupy (wolniej utleniających się nadstopów) należą materiały oznakowane nr.: 3,, 6. Porównanie składów chemicznych przedstawionych w tabeli 1, wskazuje, że niekorzystnie na cechę nadstopów grupy pierwszej wpływa Fe. Natomiast w drugiej grupie nadstopów o niższej szybkości utleniania nie stwierdzono zależności omawianej cechy od składu chemicznego nadstopów. Fakt ten najprawdopodobniej związany jest z morfologią składników poszczególnych nadstopów. Szczegółowe badania kinetyki procesów korozyjnych i praw nimi kierującymi wykazały, że wysokotemperaturowe utlenianie analizowanych nadstopów przebiega wg dwóch zależności (parabolicznej i logarytmicznej). Zgodnie z zależnością typu parabolicznego utlenianiu wysokotempera-turowemu podlegały nadstopy oznaczone nr.: 1,, 3 i. Typowe uzyskane ich krzywe utleniania przedstawiono odpowiednio na rys., 3, i. Zależność logarytmiczną utleniania na sucho wykazały nadstopy oznaczone nr.: i 6. Ich krzywe utleniania przedstawiono na rysunkach odpowiednio 6 i 7. 3 m [g]x1-3 1 1 y =.77x.68 R =.996 6 8 1 1 1 Rys.. Krzywa utleniania nadstopu nr. 1. Fig.. Curves of corossion superalloy no. 1. 163

m [g]x1-3 3 3 1 1 y =.768x.77 R =.999 1 1 Rys. 3. Krzywa utleniania nadstopu nr.. Fig. 3. Curves of corossion superalloy no.. m [g]x1-3 16 1 1 1 8 6 y =,181x,6193 R =,9967 1 1 Rys.. Krzywa utleniania nadstopu nr. 3. Fig.. Curves of corossion superalloy no. 3. 16

m [g]x1-3 3 1 1 y =,6x,676 R =,9873 1 1 Rys.. Krzywa utleniania nadstopu nr.. Fig.. Curves of corossion superalloy no.. m [g]x1-3 8 7 6 3 1 y =,761Ln(x) +,831 R =,913 1 1 Rys. 6. Krzywa utleniania nadstopu nr.. Fig. 6. Curves of corossion superalloy no.. 16

m [g]x1-3, 3, 3, 1, 1, y =,8Ln(x) + 1,877 R =,813 1 1 Rys. 7. Krzywa utleniania nadstopu nr. 6. Fig. 7. Curves of corossion superalloy no. 6. Uzyskane zależności kinetyki utleniania wg przebiegu parabolicznego i logarytmicznego wskazują na możliwość utylitarnego zastosowania badanych nadstopów. Potwierdzeniem tego faktu jest to, że powstała zgorzelina w wyniku wysokotemperaturowego jest zwarta i posiada objętość molową większą od analogicznej objętości metalu. Wg Pillinga-Bedwortha taka warstwa produktów korozji chroni stop przed dalszym procesem utleniania.. WNIOSKI Żaroodporność badanych nadstopów na osnowie niklu w niewielkim stopniu zależy od składu chemicznego. Dobrą odporność korozyjną i dobrą przyczepność zgorzeliny do podłoża uzyskały materiały, w których proces utleniania spełniał równanie logarytmiczne, a nieco niższą odporność uzyskały pozostałe materiały, które proces utleniania spełniał równanie paraboliczne (potęgowe). LITERATURA [1] M. Blacharski: Wstęp do inżynieri materiałowej, Wydawnictwo N-T, Warszawa 1. [] M. Blacharski: Inżynieria materiałowa stal, Wydawnictwo N-T, Warszawa. [3] B. Ciszewski, W. Przetakiewicz: Nowoczesne materiały w technice, Wydawnictwo Bellona, Warszawa 1993. 166

[] L. A. Dobrzyński: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Wydawnictwo N-T, Gliwice Warszawa. [] M. J. Donachie: Superalloys Source Book, Ed. Am.Soc. for Metals, 198, Ohio. [6] A. Hernas, A. Maciejny: Żarowytrzymałe stopy metali, Wydawnictwo PAN, Wrocław 1989. [7] B. Mikołowski: Stopy żaroodporne i żarowytrzymałe- nadstopy, Wydawnictwo AGH, Kraków 1997. [8] S. Mrowec, T. Werber: Nowoczesne tworzywa żarowytrzymałe, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa1968. [9] B. Surowsza: Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozją, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin. [1] C. T. Sims, W. C. Hagel: The Superalloys, Ed. John Wiley & Sons, New York, London, Sydney, Toronto,197. [11] H. H. Uhlig: Korozja i jej zapobieganie, Wydawnictwo N-T, Warszawa 1976. SUMMARY INVESTIGATION OF HEAT-RESISTENCE OF SOME SUPERALLOYS ON NI BASE Investigation of six superalloys on Ni-base subjected to long term annealing (1 hours) in temperature 9 o C have been presented in the paper. Carried out research showed the role of the chemical composition of tested superalloy on high temperature corrosion value during as a result of its heat treatment. Recenzował: prof. Józef Dańko. 167