CHEMICAL HETEROGENEITY OF REALISTIC TURBINE WHEEL AFTER EXPLOITATION AND AFTER CREEP TESTS

Transkript

1 CHEMICAL HETEROGENEITY OF REALISTIC TURBINE WHEEL AFTER EXPLOITATION AND AFTER CREEP TESTS CHEMICKÁ MIKROHETEROGENITA REÁLNÉHO KOLA PO EXPLOATACI A PO CREEPOVÝCH ZKOUŠKÁCH Simona Pospíšilová Karel Stránský Tomáš Podrábský Martin Juliš Karel Němec Brno University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Material Science and Engineering, Technická 2896/2, Brno, ČR, podrabsky@umi.fme.vutbr.cz Abstract The contribution deals with the chemical and structural heterogeneity of a creep resistant Ni-based alloy Inconel 713 LC. This material belongs to the cast poly-crystalline nickel super-alloys which are used for the production of circulating wheels of small combustion turbines for supplementary energetic units in aviation industry. Measurement of the chemical microheterogeneity of elements was realized in as-cast state before and after exploitation and after long and short creep test. As microanalytical complex was applied JEOL JXA 8600/KEVEX Delta V Sesame and EDS. In the analysis of chemical microheterogeneity, the concentrations of Al, Ti, Cr, Ni, Zr, Nb, Mo were measured in 101 points of the structure. Then the indices of dentritic microheterogeneity I H were estimated. The redistribution of elements is discussed. Abstrakt Příspěvek zhodnocuje chemickou a strukturní heterogenitu niklové slitiny Inconel 713 LC. Tento materiál patří mezi lité polykrystalické niklové superslitiny, které jsou užívány k výrobě oběžných kol malých spalovacích turbín pro pomocné energetické jednotky v leteckém průmyslu. Měření chemické mikroheterogenity prvků bylo realizováno na vzorcích z turbínových kol ze slitiny v litém stavu před a po provozním zatížení a po krátkodobých i dlouhodobých creepových zkouškách. K měření koncentračních dat vybraných prvků byl použit mikroanalytický komplex JEOL JXA 8600/KEVEX Delta V Sesame a metoda EDA (energiové disperzní analýzy). Na každém vzorku byly měřeny koncentrace sedmi prvků (Al,Ti,Cr,Ni,Zr,Nb,Mo) ve 101 bodech struktury. Na základě matematicko-statistických metod byly vypočítány základní segregační charakteristiky měřených prvků. Bylo zjištěno, že chemická heterogenita studované niklové slitiny roste směrem od středních částí lopatky k náboji. Je pozoruhodné, že největší mikroheterogenita turbínových lopatek v místech u náboje koresponduje s frekventovaných výskytem míst iniciace únavových lomů. 1

2 1. ÚVOD Po několika experimentech, při kterých se posuzovaly vlivy některých fází na mechanické vlastnosti niklové superslitiny Inconel 713 LC, se potvrdily nežádoucí účinky karbidů MC a M 23 C 6. Tyto fáze se vytváří heterogenně ve struktuře, zejména na hranicích zrn, jsou křehké, mají vrubový účinek a tím snižují mechanické vlastnosti i za vysokých teplot a odolnost vůči nízkocyklové únavě. Dále klesá korozivzdornost a odolnost materiálu vůči tepelné oxidaci, zejména zúčastní-li se těchto procesů chrom. Dále mechanické vlastnosti za vysokých teplot i odolnost vůči creepu ovlivňuje množství, velikost a rozmístění fáze γ a také velikost dendritů. V tomto příspěvku je posuzována dendritická heterogenita vybraných prvků, které se účastní tvorby karbidů a nežádoucích fází ve struktuře Inconelu 713 LC. Jedná se zejména o Cr, Zr, Nb, Mo. Dále budou sledovány i prvky, které tvoří fázi γ a také se účastní tvorby některých karbidů a fází jako jsou prvky Al, Ti, Ni. Metodika měření je podrobně popsána v pracích [1] až [4]. 2. METODIKA EXPERIMENTU 2.1. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Měření bylo realizováno na vzorcích odebraných z turbínových kol leteckého motoru TJ100, které byly odlity metodou vytavitelného modelu z niklové superslitiny Inconel 713LC (obr.1, tab.1). Jedná se o dvě kola - nepoužité a po exploataci, vždy ze stejné tavby o daném chemickém složení (tavba č.1, tab.5), podrobněji popsaná v literatuře [3] a [4]. Dále se strukturní heterogenita posuzovala na vzorcích před a po dlouhodobých i krátkodobých creepových zkouškách, které jsou také ze stejné tavby o daném chemickém složení (tavba č.2, tab.6). Vzorky byly odebrány z dříku a z hlavy (tab.2). Tab.1. Označení vzorků a jejich historie - kola Označení Druh vzorku Místo odběru KN-3 lopatka nepoužitá 12 mm od náboje KN-2 lopatka nepoužitá 2 mm od náboje KN-1 náboj nepoužitý 14 mm od průměru KP-3 lopatka použitá 12 mm od náboje KP-2 lopatka použitá 2 mm od náboje KP-1 náboj použitý 14 mm od průměru Obr.1. Místa odběru vzorků Tab.2. Označení vzorků a jejich historie zkušební vzorky pro creep Označení Druh zkoušky Druh vzorku T[ C] τ f [h] σ f [Mpa] Místo odběru T-H statická zkouška tahem hlava Ø 10 mm příčný řez KC-H-1 krátkodobý creep hlava Ø 10 mm příčný řez KC-H-2 krátkodobý creep hlava Ø 10 mm příčný řez KC-D-1 krátkodobý creep dřík Ø 3 mm příčný řez KC-D-2 krátkodobý creep dřík Ø 3 mm příčný řez DC-H-1 dlouhodobý creep hlava Ø 10 mm příčný řez DC-H-2 dlouhodobý creep hlava Ø 10 mm příčný řez DC-D-1 dlouhodobý creep dřík Ø 3 mm příčný řez DC-D-2 dlouhodobý creep dřík Ø 3 mm příčný řez 2

3 2.2. MIKROANALÝZA A MĚŘENÍ Experimentální materiál byl odebrán z míst vyznačených v tab.1 a 2. Vybrané vzorky byly zalisovány lisem PRONTOPRES do elektricky vodivé termoplastické lisovací hmoty Mounting Resin firmy STRUERS. Připravené vzorky byly naleptány odzkoušeným leptadlem o složení 35 ml HCl, 10 kapek H 2 O 2, 65 ml etylalkohol a 1 g CuCl 2. Poté byly za pomocí světelného mikroskopu EPITYP vybrány a kroužkovačem označeny oblasti vhodné k analýze a pro každou označenou oblast byla mikrotvrdoměrem HANEMANN na světelném mikroskopu NEOPHOT 2 řadou mikrovpichů vyznačena orientace úsečky na níž budou získány pro každý vzorek zvlášť příslušné koncentrační soubory vybraných prvků pro posouzení jejich dendritické segregace. Analyzované oblasti vzorku byly dokumentovány světelným mikroskopem NEOPHOT 32 v kombinaci s digitálním fotoaparátem OLYMPUS C-3030 Z (obr.2,3). U každého vzorku se energiově disperzní mikroanalýzou na komplexu JEOL JXA- 8600/KEVEX Delta V změřily koncentrace sledovaných prvků (Al, Ti, Cr, Ni, Zr, Nb, Mo) ve 101 bodech podél vyznačené úsečky orientované tak, aby u každého z analyzovaných vzorků protínala přibližně srovnatelný počet (cca 8 až 9) strukturně podobných dendritických buněk a jejich hranic. Abychom zachovali přibližně stejný, měřenou úsečkou protnutý počet dendritických os, byla zvolena rozdílná délka měřeného úseku. Dendritická struktura byla hodnocena podle poloviční vzdálenosti dendritických os. Změřené a vypočtené koncentrační soubory analyzovaných prvků byly statisticky vyhodnoceny, byly vypočteny statistické parametry, korelační matice, indexy heterogenity a indexy segregace jednotlivých prvků pro jednotlivé měřené vzorky. Z důvodu ověření statistických výsledků byla provedena analýza EDA na rastrovacím elektronovém mikroskopu PHILIPS XL 30 na spektrometru EDAX, kde se analyzovaly fáze na hranicích zrn. Obr.2. Analyzovaná oblast, vzorek KP-2 Obr.3. Analyzovaná oblast, vzorek DC-H-2 3. VÝSLEDKY A JEJICH DISKUSE U každého vzorku byly metodou EDA změřeny koncentrace prvků Al, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo ve 101 bodech podél úsečky, která protínala přibližně srovnatelný počet strukturně podobných dendritických buněk. Poté se stanovila střední vzdálenost dendritických větví (tab.3 a 4). Dále se z naměřeného koncentračního souboru (obr.4) stanovila průměrná koncetrace prvků XS, směrodatná odchylka SX, minimální a maximální koncentrace Min a Max, a vypočítal se index heterogenity I Het = SX/XS a index segregace I S = Max/XS (tab.5 a 6). Karbidy analyzované na hranici zrn metodou EDA jsou na obr.5, obr.6 značí rtg. spektrum. 3

4 Tab.3,4. Počet protnutých mezidendritických prostor v sekundární ose dendritu Vzorek Protnutá žebra n L/2n *) Úsek L [µm ] KN , KP , KN , KP , KN , KP , ,0±0,9 21,364±9,766 Střední délka L/2n *) je to poloviční střední vzdálenost dendritických větví Vzorek Protnutá žebra L/2n *) Úsek L [µm ] T-H 8 31l,25 KC-H ,6 500 KC-H ,6 500 KC-D ,3 500 KC-D , ,4±1,5 63,0±11,7 DC-H , DC-H ,7 500 DC-D ,8 500 DC-D , ,0±0,9 21,364±9,766 Koncentrace Nb pro vzorek č.3 Koncentrace Nb 1,8 1,3 0,8 0, Vzdálenost Obr.4. Struktura INCONEL 713 LC vzorku KN-1 a závislost koncentrace Nb na úsečce Obr.5. Analyzovaná oblast u vzorku DC-D-1 Obr.6. Analýza EDS z obr.5, z místa 1 4

5 Tab.5. Souhrn výsledků měření a analýz turbínová kola Vzorek Al Ti Cr Ni Zr Nb Mo KN-3 6,283 0,582 11,997 75,900 0,005 1,242 3,990 KP-3 6,319 0,638 12,064 74,972 0,028 1,701 4,276 KN-2 6,326 0,554 11,790 76,051 0,027 1,221 4,029 KP-2 6,129 0,801 11,998 73,860 0,108 2,687 4,416 KN-1 6,378 0,528 11,683 76,356 0,003 1,183 3,871 KP-1 6,292 0,565 12,108 75,612 0,009 1,302 4,111 XS (hm.%) 6,288 0,611 11,940 75,459 0,0300 1,556 4,116 SX (hm.%) 0,0846 0,0999 0,1666 0,9129 0,0397 0,5856 0,1995 I Het =SX/XS ( - ) 0,0135 0,1635 0,0140 0,0121 1,3233 0,3763 0,0485 Udané (hm.%) 5,90 0,78 11,94-0,11 2,24 4,59 Chemické složení slitiny INCONEL 713 LC v [hm.%] tavba 1 Prvek C Al Si P S Ti Cr Mn Obsah [hm.%] 0,04 5,90 < 0,05 < 0,005 < 0,005 0,78 11,94 < 0,05 Prvek Fe Co Ni Cu Zr Nb Mo Ta Obsah [hm.%] 0,24 0,15 zbytek < 0,05 0,11 2,24 4,59 0,13 Tab.6. Souhrn výsledků měření a analýz zkušební vzorky pro creep Vzorek Al Ti Cr Ni Zr Nb Mo T-H DC-H DC- D DC-H DC-D XS (hm.%) 6,044 0,552 11,618 76,843 0,0004 1,200 3,824 SX (hm.%) 0,0852 0,0292 0,2190 0,2390 0,0009 0,2187 0,0843 I Het =SX/XS ( - ) 0,0114 0,0529 0,0069 0,0028 2,2500 0,1823 0,0220 Udané (hm.%) 5,90 0,78 11,94-0,11 2,24 4,59 Vzorek Al Ti Cr Ni Zr Nb Mo T-H KC-H-2 5,665 0,573 11,442 76,075 0,055 2,011 4,179 KC-H-1 5,534 0,500 11,551 77,143 0,002 1,319 3,950 KC-D-2 5,579 0,470 11,516 76,707 0,034 1,619 4,075 KC-D-1 5,632 0,481 11,600 76,996 0,000 1,279 4,011 XS (hm.%) 5,580 0,520 11,552 76,660 0,0242 1,573 4,091 SX (hm.%) 0,0716 0,0506 0,0802 0,4388 0,0232 0,2949 0,1182 I Het =SX/XS ( - ) 0,0128 0,0973 0,0069 0,0057 0,9587 0,1875 0,0289 Udané (hm.%) 5,90 0,78 11,94 73,725 0,11 2,24 4,59 Chemické složení slitiny INCONEL 713 LC v [hm.%] tavba 2 Prvek C Al Si P S Ti Cr Mn Obsah [hm.%] 0,04 5,88 < 0,05 0,005 < 0,005 0,83 11,52 < 0,05 Prvek Fe Co Ni Cu Zr Ta +Nb Mo B Obsah [hm.%] 0,1 < 0,05 zbytek < 0,05 0,09 2,13 4,43 0, ZÁVĚR Z výsledků analýz turbínových kol vyplývají tyto hlavní skutečnosti: Střední vzdálenost dendritických větví niklové slitiny INCONEL 713 LC se pro změřenou sérii vzorků niklové slitiny výrazně mění ve vztahu ke způsobu odběru vzorku z turbínového kola. Čím blíže se nachází poloha odebraného vzorku a měřeného místa k náboji turbínového kola, tím větší je vzdálenost dendritických větví. 5

6 Tato relace se odráží ve zvýšení chemické heterogenity měřených prvků, především ve zvýšení hodnoty maximální koncentrace prvků zaznamenané v měřené oblasti lopatek která se přibližuje k náboji kola. Největší rozdíly v chemické heterogenitě prvků byly zaznamenány ve vzorcích KN-3 a KP-3 v místě 12 mm od náboje, kde se velmi výrazně zvyšují hodnoty maximální změřené koncentrace, označené symbolem Max. Pro všechny měřené prvky (zejména Nb a Mo) byla zjištěna nejvyšší koncentrace v místech ležících v blízkosti náboje kola. V samotném náboji kola tak výrazné koncentrační rozdíly prvků nebyly pozorovány. Podobnou tendenci ke zvýšení heterogenity lze pozorovat také v růstu indexu heterogenity a indexu segregace měřených prvků. Jakmile se blížíme s místem měření mikroheterogenity prvků ze směru od středních částí lopatky k náboji, potom indexy heterogenity i indexy segregace rostou. Snižují se opět přímo v náboji. Je pozoruhodné, že největší mikroheterogenita turbínových lopatek v místech u náboje zároveň koresponduje s frekventovaným výskytem míst iniciace únavových lomů, které podle zkušenosti tyto spodní části lopatek pronásledují. Tatáž oblast je také při provozu charakterizována vysokým tahovým napětím pocházejícím od odstředivých sil působících na lopatku rotujícího turbínového kola. Na podkladě provedených měření lze předpokládat, že rozdíly v chemické heterogenitě prvků turbínového kola ve značné míře souvisí s parametry dendritické struktury. Čím větší je střední vzdálenost dendritických větví, tím větší chemickou heterogenitu prvků v lopatkách lze očekávat. Rozdíly v exploataci obou turbínových kol nebyly natolik významné, aby překryly rozdíly v primární technologii (tavení, odlévání, tuhnutí ve formě aj.), která vedla k velmi podobné primární dendritické heterogenitě použitého (exploatovaného) i nepoužitého turbínového kola. Z analýzy vzorků před a po dlouhodobé i krátkodobé creepové zkoušce vyplývá: Střední vdálenost dendritických větví se pro změřenou sérii vzorků niklové slitiny měnila jen málo a to bez ohledu na místo odběru vzorků (hlava, dřík) a na způsob zatěžování vzorků (podmínky creepové zkoušky). Porovnáme-li indexy heterogenity jednotlivých prvků u každého vzorku zvlášť, pak: - I Het pro Al, Ti, Cr, Ni, Nb je s vyjímkou Mo nižší než je tomu u vzorků po dlouhodobém creepu, což platí pro všechny teploty bez rozdílu. U dříku ve srovnání s hlavou se jeví tendence k jistému růstu indexu segregace, u Nb je tomu naopak, - při dlouhodobém creepu probíhajícím při teplotě 850 C po dobu 1220 hodin do lomu roste index segregace Al, Ti, Cr, Ni, Nb více než je tomu při teplotě 950 C po dobu 535 hodin do lomu. Index segregace Mo roste v porovnání s dobou do lomu, tj. při teplotě 850 C je I S větší než je tomu u 950 C, kde navíc klesá pod hranici indexu segregace creepově nezatíženého vzorku, - relativní zvýšení indexu segregace vzorků po dlouhodobém creepu je nejvyšší u Cr, Al, Ti a relativně nízké je u Nb a Ni, který tvoří matrici. Ke snížení indexu segregace je charakteristické pro Co, index segregace Zr nebylo možno ze změřených hodnot koncentrace tohoto prvku stanovit. - Co se týče krátkodobého creepu jsou distribuce prvků Al, Ni, Ti, Nb, Zr, Mo odlišné od dlouhodobého creepu, je to dáno poměrně krátkou dobou do lomu. Nejvyšší indexy heterogenity mají vzorky po creepu při 980 C s dobou do lomu 70h, naproti tomu se hodnoty I Het snižují po creepu při 870 C s dobou do lomu 40h a to až pod hodnotu creepově nezatíženého vzorku. U dříku ve srovnání s hlavou roste segregace prvků Al, Cr, u ostatních prvků spíše klesá. Výsledky měření nasvědčují tomu, že během creepu probíhají jak precipitační, tak i homogenizační pochody. Precipitační pochody mikroheterogenitu systému zvyšují a homogenizační ji naopak snižují. Přitom se ukazuje, že intenzitu precipitačních pochodů zvyšuje napětí v dříku, které je vyšší než ve vlastní hlavě zkušebního tělesa. Za nižších teplot 6

7 pravděpodobně dominují pochody precipitační, za zvýšených teplot se začínají uplatňovat pochody vedoucí k celkové homogenizaci slitiny. Na precipitačních pochodech se uplatňují vytvrzující reakce (Al, Ti, Ni, Nb, Zr i Mo). Rozdíly v distribuci prvků u krátkodobého a dlouhodobého creepu jsou způsobeny krátkou dobou do lomu, kdy se tyto procesy ještě nestačí plně rozvinout. Již výše bylo zmíněno, že se index segregace u Zr nedal vypočítat a to v důsledku nízké koncentrace v jednotlivých měřených bodech, protínajících hranice sekundárních dendritů (obr.2, 3). Tato koncentrace Zr zde klesala až pod hranici detekovatelnosti přístroje JEOL JXA-8600/KEVEX Delta V. Na základě experimentů a publikovaných prací [5] se se zvyšující teplotou a dobou do lomu u creepové zkoušky tvoří více karbidů na hranicích zrn a dochází k rozpouštění fáze γ. To by mělo vysvětlovat i vzrůstající heterogenitu již zmíněných prvků zmíněných v předchozím odstavci. Kontrolně byla provedena bodová mikroanalýza chemického složení metodou EDA na zařízení PHILIPS XL 30 EDAX na hranici primárních dendritů u vzorků po dlouhodobém creepu. Zde byly analyzovány komplexní karbidy na bázi Zr, Nb, Mo aj. prvků a dále byly pozorovány na těchto hranicích oblasti, kde se fáze γ rozpouští. Poznamenejme, že předchozí popisovaná měření zachycovala odmíšení prvků k hranicím sekundárních dendritů. Kontrolně provedená měření ukázala, že některé prvky např. Zr, jehož koncentrace nebyla na hranici sekundárních větví dendritů detekována, mohou odměšovat až k hranicím primárních dendritů. Poděkování Realizováno díky projektu GAČR 106/02/1088, 106/04/1006, 106/04/0949, 106/05/H008, projektu Ekocentrum aplikovaného výzkumu neželezných kovů IM č.556 a projektu KONTAKT č LITERATURA [1] REK, A., STRÁNSKÝ, K.: Heterogenita slitiny INCONEL 713 LC. Výzkumná zpráva reg. č Vojenský technický ústav ochrany Brno 2002, 31 s. [2] DOBROVSKÝ, Ľ., DOBROVSKÁ, J., STRÁNSKÝ, K.: Microstructure stability of the cast Ni-superalloy. Acta Metalurgica Slovaca, 8, 2002, No 4, pp [3] PODRÁBSKÝ, T., STRÁNSKÝ, K., POSPÍŠILOVÁ, S., REK, A., DOBROVSKÁ, J., JULIŠ, M.: Heterogenity of inconel 713 LC, Acta Metallurgica Slovaca, [4] POSPÍŠILOVÁ, S., STRÁNSKÝ, K., PODRÁBSKÝ, T., REK, A., DOBROVSKÁ, J., JULIŠ, M.: Heterogenita slitiny Inconel 713 LC, Konference Mechanika, Metody hodnocení struktury a vlastností materiálů, Rožnov pod Radhoštěm