VÝZKUM MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ A STRUKTURNÍ STABILITY SUPERSLITINY NA BÁZI NIKLU DAMERON. Karel Hrbáček a

METAL 2003 20.-22.5.2003, Hradec nad Moravicí __________________________________________________________________________________________

VÝZKUM MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ A STRUKTURNÍ STABILITY SUPERSLITINY NA BÁZI NIKLU DAMERON. Karel Hrbáček a Božena Podhornáb Vítězslav Musila Antonín Jocha a

P r v n í b r něnská strojírna Velká Bíteš, a.s., Vlkovská 279 595 12 V el ká B í t eš , Č R b UJP PRAHA a.s.,Nad Kamínkou 1 345, 156 1 0 P r a h a – Z b r a s l a v , Č R

Abstrakt Materiál y, používané ve sklářském prům yslu, pracují za vysokých teplot a musí b ýt velmi odolné působení roztavené skloviny. Stále více se používají pro t yto extrémní pracovní podmínky superslitiny na bázi niklu. V současné době byla v PBS Velká Bíteš v yvinuta technologie přesného lití odlitků ze superslitin y DAMAREN. Současně s tím byla podrobně zkoumána strukturní stabilita a mechanické vlastnosti této slitiny. Abstract Materials used in glass industry work at high temperatures and must b e resistant to molten glass. Nickel-based superalloys have been increasingl y used for these extreme working conditions. PBS Velká Bíteš has developed a technology of precise casting of DAMAREN superalloy. At the same time structural stabilit y and mechanical properties of this alloy have been thoroughl y investigated. 1.

ÚVOD Předložená práce shrnuje dosavadní výsledky vývoje technologie přesného lití konstrukčních dílů, pracujících za vysokých teplot a působení roztavené sklovin y/ 1, 2 /. Součástí technologického vývoje byl i rozsáhl ý v ýzkum mechanických vlastností a strukturní stabilit y nově zaváděn é superslitiny na bázi niklu, označované DAMERON. 2.

EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A ZVOLENÉ METODY ZPRACOVÁNÍ K experimentům byl použit material, jehož chemické složení je uvedeno v tab.1.

1


Tabulka 1. Chemické složení slitiny v % hm. C Si Fe B Ni

0,06 3,23 0,02 2,26 zbytek

Byl y určeny základní mechanické vlastnosti po odlití a ověřena morfologie mikrostruktury. Teplotní stabilita v yloučen ých fází byl a posuzována na základě metalografického vyhodnocení vzorků žíhaných po 2 hodin y při teplotách 600, 700, 800, 900, 1000 a 1050 °C. V další fázi byla hodnocena strukturní stabilita slitiny při teplotách 700 a 800 °C. Doby žíhání b yl y 2, 50, 100, 250, 500 a 1000 hodin. Tyto vzork y b yl y rovněž posuzovány metalografick y. Cílem této části práce b ylo získat základní údaje o mechanick ých vlastnostech a strukturní stabilitě této slitiny a získat tak představu o perspektivě jejího případného v yužití v technické praxi. 3.

Mechanické vlastnosti Byla zjišťována teplotní závislost proveden ých zkoušek jsou uvedeny v tab.2.

pevnosti

v tahu.

Výsledk y

Tabulka 2. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu slitiny Dameron. Teplota zkoušky /°C/ 20 20 20 20 20 20 500 500 600 600 650 650 700 700 750 800 800

Rp02 /MPa/

Rm /MPa/

A5 /%/

Z /%/

neměřeno neměřeno neměřeno neměřeno neměřeno neměřeno neměřeno neměřeno 626 644 525 539 414 405 286 205 198

658 660 627 655 668 660 690 668 726 668 649 645 487 482 329 236 232

3,0 3,0 2,0 4,0 2,0 1,0 1,3 2,0 1,6 1,0 3,8 4,2 7,8 8,5 18,0 21,9 22,0

neměřeno neměřeno 1,0 neměřeno neměřeno neměřeno neměřeno neměřeno 1,2 1,0 4,0 4,5 8,1 8,6 20,5 57,7 44,9

2


Hodnot y pevnosti nad 600 MPa si slitina udržuje do teplot y 650 °C. Do této teplot y dochází jen k minimálním změnám mechanických vlastnosti. Při těchto teplotách není prakticky možno určovat mez Rp02, neboť dochází k lomu při velmi nízk ých hodnotách deformace a mez Rp02 je prakticky shodná s mezí pevnosti. Při teplotách do 650 °C jsou hodnot y tažnosti a kontrakce extrémně nízké. Slitina je při těchto teplotách velmi křehká. Tažnost slitiny se mírně zv yšuje až při teplotách nad 700 °C. Průběh pevnosti v tahu a tažnosti v závislosti na teplotě je ukázán na obr.1 a 2.

Obr. 1. Teplotní závislost pevnosti slitiny DAMERON.

Obr. 2. Teplotní závislost tažnosti slitiny Dameron.

3


Dále byla u slitiny Dameron měřena i teplotní závislost vrubové houževnatosti v rozsahu 20 až 900 °C. Zkoušky byl provedeny na vzorcích s U-vrubem o hloubce 2 mm. Výsledky těchto zkoušek jsou v tab.3. Z tabulky je zřejmé, že hodnoty vrubové houževnatosti jsou v celém zkušebním rozsahu teplot velmi nízké a slitina Dameron je velmi křehká i při provozních teplotách. Tabulka 3. Výsledky zkoušek vrubové houževnatosti slitiny Dameron. Teplota zkoušky /°C/ 20 20 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Vrubová houževnatost /J/cm 2 / 1. měření 2. měření 3,8 3,5 4,2 5,0 3,8 4,5 7,5 3,8 3,7 3,8 3,7 4,4

3,8 3,8 3,5 4,5 4,5 3,7 3,5 5,5 5,5 4,9 6,4 7,0

střední hodnota 3,8 4,8 4,2 4,2 5,5 4,7 4,6 4,4 5,1 5,7

4.

Strukturní stabilita V prvé části výzkumné práce bylo provedeno rozpouštěcí žíhání v rozmezí teplot 600 až 1050 °C. Doba žíhání byla 2 hodiny. U všech vzorků b yla měřena tvrdost HV10 a metalografick y stanoven objemov ý podíl v yloučen ých fází. Cílem bylo posoudit teplotní stabilitu vyloučených fází. Žíhání ukázalo, že teplota tavení slitiny je nízká. Při 1050 °C již došlo k částečnému natavení vzorku, tzn., že tato teplota je již nad teplotou solidu. Z tohoto důvodu již nejsou hodnot y tvrdosti naměřené na vzorku žíhaném při této teplotě representativní. Výsledky měření tvrdosti a objemových podílů v yloučen ých fází jsou uvedeny v tab.4. Tabulka 4. Výsledky měření tvrdosti a objemových podílů vyloučených fází u vzorků žíhaných při různ ých teplotách. Teplota žíhání /°C/ Vých. stav 600 700 800

Tvrdost HV10 447 468 421 383

Objemový podíl fází /%/ 37,6 45,4 44,9 41,2

Teplota žíhání /°C/ 900 1000 1050

4

Tvrdost HV10 288 225 392

Objemový podíl fází /%/ 41,6 40,0 43,6


Výsledky měření tvrdosti ukazují, že do 700 °C dochází k mírnému v ytvrzení slitiny. Nad touto teplotu tvrdost slitin y klesá. Do teplot y 600 °C neb yl y ve struktuře zjištěn y pozorovatelné změny oproti výchozímu stavu po odlití. Při v yšších teplotách dochází k pomalé globularizaci vyloučen ých hrub ých částic na rozhraních buněk licí struktury a ke slabé precipitaci částic uvnitř buněk. Příklad této precipitace po žíhání při 800 °C je ukázán na obr. 3. Výrazná globularizace a vznik hrub ých deskovit ých částic uvnitř buněk byl y pozorovány až při teplotě žíhání 1000 °C / obr.4 /. Malé změny v objemových podílech vyloučených fází ukazují, že dochází k částečnému rozpouštění částic na rozhraních buněk a k jejich opětnému v ylučování uvnitř buněk. Jde tedy především o proces homogenizace chemického složení slitiny.

Obr. 3. Mikrostruktura slitiny Dameron po žíhání 800°C / 2h.

5


Obr. 4. Mikrostruktura slitiny Dameron po žíhání 1000°C / 2h. Dalším krokem bylo dlouhodobé žíhání slitin y při teplotách 700 a 800 °C. Strukturní šetření ukázalo, že během žíhání dochází jen k mal ým změnám. Vliv žíhání se projevil slabou precipitací částic uvnitř buněk licí struktury. To dokumentuje obr. 5, kde je mikrostruktura po žíhání 700 °C/1000 h a obr. 6, kde je struktura po žíhání 800 °C/1000 h.

6


Obr. 5. Mikrostruktura slitin y Dameron po žíhání 700°C / 1000h.

Obr. 6. Mikrostruktura slitin y Dameron po žíhání 800°C / 1000h.

7


Mal ým strukturním změnám odpovídají i malé změny tvrdosti. Výsledk y měření tvrdosti a objemového podílu vyloučených fází jsou uvedeny v tab.5. Tabulka 5. Výsledky měření tvrdosti a objemov ých podílů vyloučených fází u vzorků dlouhodobě žíhaných. Teplota žíhání /°C/ 700

Doba žíhání /h/ 2 50 100 250 500 1000

Tvrdost HV10 421 429 429 405 410 410

Objemový podíl fází /%/ 44,9 40,2 46,3 43,8 42,5 40,2

Teplota žíhání /°C/ 800

Doba žíhání /h/ 2 50 100 500 1000

Tvrdost HV10 383 381 355 369 344

Závěr Byl y ověřen y základní vlastnosti slitiny DAMERON. provedených experimentů lze shrnout do následujících závěrů:

Objemov ý podíl fází /%/ 41,2 39,0 37,7 42,9 40,4

5.

Výsledk y

- slitina má stabilní mechanické vlastnosti do teplot y 650 °C. Do 800 °C v ykazuje i dobrou strukturní stabilitu, ale pevnostní vlastnosti již vlivem teplot y klesají. Slitina je však velmi křehká při všech teplotách, - slitina má nízkou teplotu tavení a při 1050 °C již docházelo k jejímu natavení. Získané poznatky ukazují, že v yužití této slitin y v technické praxi bude omezené. Lze očekávat velmi dobré otěruvzdorné a žáruvzdorné vlastnosti do teplot y 800 °C i přijatelné hodnot y pevnosti. Slitina je však velmi křehká a to praktick y vylučuje její použití u dynamicky nebo rázově namáhaných dílů. Pro teplot y nad 800 °C není slitina, vzhledem k nízké teplotě tavení, vhodná. Ve slévárně přesného lití První brněnské strojírn y Velká Bíteš byla v yvinuta technologie přesného lití této slitiny a byl y odlity přesné odlitk y, které již byl y provozně odzkoušeny. Lze konstatovat, že slévárna je plně schopna dodávat odlitky z této superslitiny. Pro dynamicky a rázově namáhané díl y, pracující v silně abrazivním a korozním prostředí bude vhodnější použití slitin y 145, 2.4879 nebo slitin odvozen ých od slitin y 141. Tyto slitin y / 3 – 11 /budou mít podobnou odolnost proti abrazi a velmi dobrou odolnost v ysokoteplotní korozi. Poděkování Výzkumný program, jehož výsledky jsou uvedeny v této práci, b yl realizován v rámci projektu FB – C2/ 53 za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu.

8


LITERATURA [1] PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., ČMAKAL, J. Lité slitiny typu Ni-Cr-WC. Zpráva č. 1002.UJP PRAHA. Praha 2002. [2] MUSIL, V., HRBÁČEK, K., BURIAN, P., JOCH, A., HRBÁČEK, K. ml. Centrum v ývoje litých niklových superslitin určených pro etrémní podmínky při vysokých teplotách. Zpráva Z – 01 – 02. PBS - Velká Bíteš 2002. [3] SKLENIČKA, V., KUDRMAN, J., KUCHAŘOVÁ, K., DANĚK, R., HRBÁČEK, K. Creepové chování litých Ni – Cr – W – C slitin. Kovové Materiály, 40, 2002. [4] KUDRMAN, J., PODHORNÁ, B., ČMAKAL, J. Studium vlastností a mikrostruktury. Zpráva č.927, Škoda - ÚJP Praha, 2000. [5] SKLENIČKA, V., KUCHAŘOVÁ, K., DANĚK, R. Získání souboru dat základních creepových vlastností vybraných litých niklových slitin. Dílčí zpráva o řešení projektu, ÚFM AV ČR Brno, 2000. [6] HRBÁČEK, K., JOCH, A., SVOBODA, O., HRBÁČEK, K. ml., BOŽEK, J. Centrum vývoje litých niklových superslitin určených pro extrémní podmínky při vysokých teplotách. Výzkumná zpráva, PBS VB, Velká Bíteš, 2000. [7] SIEGL, J. Fraktografický atlas litých niklových slitin 141, 141H, 141 I, 145, 2:4879. Výzkumná zpráva V- KMAT- 515/01, ČVUT Praha, 2001. [8] DOBROVSKÁ, J., STRÁNSKÝ, K., DOBROVSKÁ, V., REK, A., PAWLICZEK, A., POKLUDOVÁ, J. Heterogenita superslitiny na bázi niklu. Výzkumná zpráva MP 612014, VŠB – TU Ostrava, 2001. [9] SKLENIĆKA, V., KUCHAŔOVÁ, K., DANÉK, R., SVOBODA, M. Kompletní soubor creepových zkoušek materiálu 2.4879. ÚFM AV ČR Brno, 2002. [10] DOBROVSKÁ, J., STRÁNSKÝ, K., DOBROVSKÁ, V., REK, A., PAWLICZEK, A., POKLUDOVÁ, J. Heterogenita superslitiny na bázi niklu. Výzkumná zpráva MP 620014, VŠB – TU Ostrava, 2002. [11] SIEGL, J., ZÝKA, J., ADÁMEK, J., KOVAŘÍK,O. Studium procesů porušování těles vyrobených ze slitiny DAMERON. Výzkumná zpráva V- KMAT- 534/02, ČVUT Praha, 2002.

9

VÝZKUM MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ A STRUKTURNÍ STABILITY SUPERSLITINY NA BÁZI NIKLU DAMERON. Karel Hrbáček a

Recommend Documents