SOUVISLOST VÝSKYTU SIGMA-FÁZE VE STRUKTUŘE A ŽÁRUPEVNÝCH VLASTNOSTÍ LITÉ SLITINY NA BÁZI Ni

Transkript

1 SOUVISLOST VÝSKYTU SIGMA-FÁZE VE STRUKTUŘE A ŽÁRUPEVNÝCH VLASTNOSTÍ LITÉ SLITINY NA BÁZI Ni a Jan Hakl, a Tomáš Vlasák, b Pavel Kovařík, b Pavel Novák a SVÚM a.s., Areál VÚ-Běchovice, Praha 9, ČR, svum@mbox.vol.cz b Walter a.s., Jinonická 39, Praha 5, ČR, pkovarik@walter.cz Abstrakt Při nevhodné kombinaci legujících prvků může během provozní expozice docházet ve struktuře slitiny ŽS6K k precipitaci σ fáze. Pro posouzení vlivu výskytu této fáze na žárupevné vlastnosti byla připravena slitina sigmatizující a nesigmatizující. Výsledkem experimentů je kvantitativní určení poklesu pevnosti při tečení a rychlosti tečení slitiny s touto nežádoucí fází. Abstract There exists possibility of σ phase occurrence in a structure of Ni-base high temperature alloy ŽS6K when a chemical composition of the alloy has improper combination of alloying element contents. The influence of this undesired phase was evaluated and quantitatively specified the declination of creep strength and minimum creep rate. 1. ÚVOD Žárupevná slitina ŽS6K se široce používá pro výrobu přesně litých lopatek plynových turbin. Zkušenosti ukazují, že podobně jako u jiných komplexně legovaných Ni slitin [1-5] může během provozní expozice docházet v její struktuře k precipitaci nežádoucí fáze σ. Tato skutečnost byla pozorována při jisté nevhodné kombinaci obsahů legujících prvků. Možnosti optimalizace chemického složení slitiny ŽS6K byly popsány v [6]. Cílem předložené práce je presentovat výsledky studia žárupevných vlastností této slitiny se sigmatizovanou a nesigmatizovanou strukturou.. HODNOCENÍ SKLONU SLITINY K SIGMATIZACI Fáze σ precipituje během časové expozice v teplotním intervalu od asi 650 C až do 950 C, zejména při spolupůsobení mechanického namáhání. Náchylnost k vylučování této fáze u Ni žárupevných slitin lze predikovat výpočtem z chemického složení. Tento postup, běžně označovaný PHACOMP (akronym pro Phase Computation), vychází z původní práce [1] a v literatuře lze nalézt řadu modifikací, lišících se zjednodušujícími podmínkami výpočtu (viz kupř.[,3]). Základním předpokladem metody je, že σ fáze je elektronovou sloučeninou a její výskyt je podmíněn určitou hodnotou neobsazených míst v elektronových obalech (tzv. elektronových vakancí) prvků, tvořících tuhý roztok. Výpočet pak spočívá v určení µ N v = min vi (1) i kde µn v je střední hodnota elektronových vakancí prvků, tvořících tuhý roztok, m i je atomový zlomek i-tého prvku v tuhém roztoku je množství elektronových vakancí v elektronových obalech i-tého prvku. N vi

2 Kritérium vhodnosti složení je µ N v N vkrit () kde N vkrit je kritická hodnota µn v (materiálová konstanta). Pokud je vztah () splněn, slitina daného složení není náchylná k tvorbě σ fáze. V opačném případě slitina nevyhovuje. Metoda PHACOMP je založena na několika zjednodušeních. Úplný postup, upravený pro práci na počítači, lze nalézt v [7]. Hlavním problémem aplikace metody PHACOMP je znalost hodnoty N vkrit. Obvykle se číselná hodnota této konstanty pohybuje v rozmezí,0-,5, což je interval poměrně široký. Pro slitinu ŽS6K bylo zjištěno [6,8], že N vkrit =,05. Slitina ŽS6K, která splňuje podmínku N vkrit,05 bude dále označována ŽS6W. 3. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL A METODIKA Ke zkoumání byly vybrány tři materiály, a to ŽS6K (tavba č.00-7-zs), ŽS6K-VI (tavba č.9i-6017) a ŽS6W (tavba RC 43/04), lišící se středními hodnotami elektronových vakancí. Chemická složení a příslušná µn V taveb jsou uvedena v tab.i. Z uvedených materiálů byly ve slévárně Walter-Deritend a.s. Praha odlity standardní technologií přesného lití ve vakuu bloky s profilem tzv. čtyřlístků, z nich pak po tepelném zpracování postupem 100±15 C/3 h/ar (slitiny ŽS6K a ŽS6K-VI), resp. 115 C/4 h/ar+960 C/4 h (slitina ŽS6W) vyrobeny zkušební tyče s měrným průměrem a délkou φ5x50 mm se závitovými hlavami M1 pro creepové zkoušky. V další části budeme jednotlivé tavby charakterizovat jejich hodnotami µn V, tedy,34;,6 a,05. Tab. I Chemické složení hodnocených taveb Materiál ŽS6K ŽS6K-VI ŽS6W Prvek Číslo tavby 00-7-ZS 9I-6017 RC 43/04 C 0,1709 0,1591 0,174 Cr 11, ,5013 9,91 Co 4,670 4,6353 5,05 W 4,9908 5,1519 5,3 Mo 4,573 4,0715 3,53 Al 5,6091 5,5661 5,8 Ti,8751,8731,70 Zr 0,0378 0,0384 0,07 B 0,0175 0,0159 0,009 Ce 0,0157 0,0139 0,01 Nb 0,1116 0,0944 max 0,1 Ta 0,0040 0,0054 max 0,1 Si 0,0746 0,0541 max 0,1 Mn 0,009 0,0145 max 0,1 Fe 0,4388 0,4440 max 0,05 Cu 0,0073 0,0088 max 0,01 P 0,054 0,0046 0,00 S 0,0047 0,0041 0,00 Ni základ základ základ µn V,34,6,05

3 Zkoušky tečení byly provedeny při konstantní teplotě 856 C na vzduchu. Všechny zkoušky byly realizovány se sledováním creepové deformace v závislosti na čase. Hodnocené materiály byly zkoušeny při stálém zatížení v rozsahu napětí MPa, přičemž sumární doby zkoušení byly pro slitinu ŽS6K (µn V =,34) asi 8300 h, pro ŽS6K-VI (µn V =,6) asi 8000 h a pro ŽS6W (µn V =,05) asi 9650 h. Jedná se tedy o soubory srovnatelné rozsahem. 4. VÝSLEDKY 4.1. Žárupevnost Výsledky zkoušek pevnosti při tečení byly rozděleny do dvou souborů. Jeden soubor tvoří slitiny ŽS6K (µnv=,34) a ŽS6KVI (µnv=,6) a druhý soubor slitina ŽS6W (µnv=,05). Oba tyto soubory byly vyhodnoceny Seifertovým vztahem [9]: log ( R) = A + A P + A 1 3 P (3) kde P = T ( log( ) + ) t r A 4 T je teplota R je napětí t r je doba do lomu A 1-4 jsou regresní parametry Z grafického znázornění na obr. 1 je zřejmé, že slitiny ŽS6K (µnv=,34) a ŽS6KVI (µnv=,6) vykazují asi o 5% nižší žárupevnost než slitina ŽS6W (µnv=,05) µnv=,05 Doba do lomu [h] 1000 µnv>,05 µnv=,05 µnv>, Napětí [MPa] Obr.1. - Porovnání žárupevnosti slitin s různým µnv. 3

4 4.. Deformační charakteristiky Z experimentálních dat byly vyhodnoceny jednotlivé creepové křivky pomocí modelu [10]: [ g( π() t ) ] ε m ε c = ε 0 1 ε 0 () g K N 1+ exp ( ()) ( π ) π t = π 1+ exp( ) M π = σ 3 = E( T) = E1 + E exp E( T) T ε 0 10 kde ε c je celková creepová deformace, t je čas, ε 0 je počáteční deformace, σ je napětí, T je teplota, ε m je mezná deformace, K, M, N, E 1-3 jsou materiálové konstanty. t t r E (b) (c) Vyhodnocené křivky slitiny ŽS6W (µnv=,05) jsou zobrazeny na obr.. Z grafické interpretace je zřejmá vhodnost použitého modelu. Na obr.. je možno též pozorovat pokles mezné deformace s dobou exploatace. Průběhy creepových křivek dalších zkoumaných slitin byly obdobné. Deformace [%],5 1, MPa 0 MPa 40 MPa 50 MPa 93,3 MPa 93,3 MPa Mezná deformace 0, Čas [h] Obr.. - Deformační charakteristiky slitiny ŽS6W (µnv=,05). Z vyhodnocených deformačních závislostí byly určeny minimální rychlosti tečení. Stejně jako v případě žárupevnosti byly vyhodnoceny dva soubory charakterizované různou 4

5 úrovní rozvoje degradačních procesů. Na obr. 3 jsou lineární regresí vyhodnoceny minimální rychlosti tečení obou souborů. Je patrné, že slitina ŽS6W (µnv=,05) vykazuje výrazně nižší rychlosti tečení, což je plně konzistentní s vyšší žárupevností. 0,01 Minimální rychlost tečení [%/h] 0,001 µnv>,05 µnv=,05 µnv >,05 µnv =,05 0, Napětí [MPa] Obr.3. - Porovnání minimálních rychlostí slitin s různým µnv. 5. METALOGRAFIE Struktury byly hodnoceny po creepových zkouškách na příčných řezech tyčí nedaleko lomové plochy. Vzorky byly připraveny běžnými metalografickými technikami a před pozorováním na světelném mikroskopu leptány činidlem 7,5g FeCl 3 + 7,5g CuCl ml HCl +50 ml HNO ml H O. Typické morfologie struktur jsou dokumentovány na obr Kromě kvalitativního hodnocení bylo použito i semikvantitativního přístupu, který se opírá o porovnávání rozsahu sigmatizace struktury s pětistupňovou škálou (pátý stupeň je nejhorší). Tato metodika byla vypracována ve Walter a.s. [11] a byla popsána též kupř. v [6]. Je používána pro posuzování struktur lopatek při opravách turbinových motorů. U slitiny ŽS6K (µn V =,34) byla zjištěna sigmatizace struktury podle stupně 3 již po creepové expozici 1080 h. S prodloužováním dob do lomu až asi 300 h se pak rozsah výskytu σ fáze již nezvyšoval (viz obr.4.). U slitiny ŽS6K VI (µn V =,6) byl výskyt σ fáze po expozici asi 940 h podle stupně 1 (viz obr.5.). Ve struktuře slitiny ŽS6W (µn V =,05), hodnocené na vzorcích po expozicích asi 940 až 080 h nebyla σ fáze detekována (viz obr.6.). Poznatky z metalografických analýz jsou plně konzistentní se závěry naší předchozí práce [6]. 5

6 Obr. 4. Struktura slitiny ŽS6K, vzorek VM16 (856,5 C/00MPa/99h), rozsah sigmatizace podle stupně 3. Obr. 5. Struktura slitiny ŽS6K-VI, vzorek VM6 (856,5 C/60MPa/939h), rozsah sigmatizace podle stupně 1. Obr. 6. Struktura slitiny ŽS6W, vzorek VM1 (856,5 C/0MPa/085h), rozsah sigmatizace podle stupně ZÁVĚR Precipitace fáze σ ve struktuře slitiny ŽS6K má za následek pokles žárupevnosti a zvýšení rychlosti tečení. Kvantitativní údaje o degradaci těchto charakteristik podávají obr LITERATURA [1] WOODYATT,L.R.-SIMS,C.T.-BEATTIE,H.J.: Prediction of SIGMA Phase Occurrence from Composition in Austenitic Alloys. Trans. AIME, 36 (1966), 519. [] SIMS,C.T: The Occurrence of Topologically Close-Packed Phases. In: The Superalloys, p.59, ed. C.T.Sims and W.C.Hagel, John Wiley, N.York, 197 [3] STICKLER,R.: Phase Stability in Superalloys. In.: High-Temperature Materials in Gas Turbines, p.115, ed. P.R.Sahm and M.O.Speidel, Elsevier, Amsterdam, 197. [4] HRBÁČEK,K.-KUDRMAN,J.: Objektivní metalografické přístupy k hodnocení strukturní stability žárupevných materiálů. Strojírenství 40 (1990), č.5, s

7 [5] POSPÍCHAL,V.-KOVAŘÍK,P.: Porovnání dlouhodobé strukturní stability slitin ŽS6K- VI a ŽS6W ve vztahu k parametru PHACOMP. Interní dokument č.333/00, Walter a.s. Praha, 001. [6] HAKL,J.-VLASÁK,T.-KOVAŘÍK,P.-NOVÁK,P.-PECH,R.: Optimalizace chemického složení lité žárupevné slitiny s cílem prevence vzniku SIGMA fáze ve struktuře, Slévárenství XLIX (001), č.10,s [7] HAKL,J.-VLASÁK,T.: Vývoj žáropevné Ni slitiny pro lopatky plynových turbin se zvýšenými požadavky na životnost a provozní spolehlivost. Výzk. zpráva č /a, SVÚM Praha, 000. [8] PECH,R.-KUDRMAN,J.-HRBÁČEK,K.-ANDR,J.: Predikce náchylnosti slitiny ŽS6K k vylučování škodlivých fází s topologicky těsným uspořádáním. Zpráva REMS č. 006/91, Praha [9] SEIFERT,W.-MELZER,B.: Rechnerische Auswertung von Zeitstandversuchen am Beispiel des Stahles 13CrMo4-4.Vortragsveranstaltun Langzeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe. Düsseldorf, 6,11,199. [10] BÍNA, V.-HAKL, J.: Relation between creep strength and strength for specific creep strain at temperatures up to 100 C, Mat. Sci. Eng. A34-36 (1997), pp [11] NOVÁK, P. - BREJŠA, P.: Postup pro kontrolu mikrostruktury lopatek. Interní dokument Mg0707/95, Walter a.s., Praha, Poděkování Práce byly realizovány díky podpoře Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu FB-C3/57/00. 7