TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ, MECHANICKÉ VLASTNOSTI A STRUKTURNÍ STABILITA PERSPEKTIVNÍCH LITÝCH NIKLOVÝCH SUPERSLITIN

Transkript

1 TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ, MECHANICKÉ VLASTNOSTI A STRUKTURNÍ STABILITA PERSPEKTIVNÍCH LITÝCH NIKLOVÝCH SUPERSLITIN HEAT TREATMENT, MECHANICAL PROPERTIES AND STRUKTURE STABILITY OF PROMISING NIKEL SUPERALLOYS Božena Podhorná a Jirí Kudrman a Karel Hrbácek b a UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, Praha Zbraslav, podhorna@ujp.cz b PBS Velká Bíteš a.s. Vlkovská 279, Velká Bíteš, hrbacek.karel@pbsvb.cz ABSTRAKT Práce shrnuje výsledky studia mechanických vlastností a strukturní stability moderních žárupevných niklových slitin IN 738 LC, IN 713 LC a IN 792. Slitiny jsou vhodné pro presné lití na vytavitelný model pro velmi tepelne a mechanicky namáhané odlitky, jako jsou napr. lopatky plynových turbin. Byly analyzovány režimy tepelného zpracování z hlediska optimalizace výsledných vlastností. Jsou popsány mechanické vlastnosti a chování slitin pri dlouhodobém úcinku teploty. Slitiny byly porovnány z hlediska stability mechanických vlastností v simulovaných provozních podmínkách. The results of investigation into the mechanical properties and structure stability of modern heat-resistant IN 738 LC, IN 713 LC and IN 792 nickel alloys are given. The alloys are well suited to precision casting to a meltable model for thermally and mechanically highly stressed castings, such as gas turbine blades. The heat treatment regimes were analyzed with a view to optimization of the final alloy properties. The mechanical properties of the alloys as well as their behaviour during a long-term effect of heat are described. The alloys were compared as regards the stability of their mechanical properties in simulated operating conditions. 1. ÚVOD Žárupevné niklové slitiny predstavují skupinu moderních materiálu, které jsou urceny pro výrobu namáhaných soucástí výrobních zarízení provozovaných v rozsahu teplot C. Jako perspektivní technologie zpracování techto materiálu se ukázala výroba odlitku metodou presného lití na vytavitelný model. Na našem pracovišti jsme se zamerili na žárupevné niklové slitiny IN 713LC, IN 738LC, IN 792-5A. Tyto slitiny postupne nahrazují u nás dríve užívané materiály sovetské provenience. Zavádení nových materiálu vyžaduje optimalizovat metalurgické procesy, k cemuž je nutná znalost strukturních deju probíhajících 1

2 pri tepelném zpracování, znalost relací mezi mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi a údaje o strukturní stabilite techto slitin. 2. EXPERIMENTÁLNÍ POSTUP Chemické složení studovaných slitin je uvedeno v tabulce 1. Pro sledování zmen mechanických vlastností byly vyrobeny soubory vzorku pro zkoušky tahem a vrubové houževnatosti. Tyto mechanické vlastnosti byly sledovány ve výchozím stavu. Dále jsou prubežne sledovány zmeny mechanických vlastností po dlouhodobém žíhání (900 C / 2000, 5000 a h). Získané výsledky jsou doplnovány informacemi o zmene mikrostruktury a hodnot tvrdosti. Metalografická merení jsou provádena s využitím obrazového analyzátoru LUCIE a rádkovacího elektronového mikroskopu. Tabulka 1. Chemické složení studovaných slitin slitina Koncentrace prvku v % hm C Mn P B S Si Cu Fe Mo IN 713LC 0,03-0,07 IN 738LC 0,09-0,13 IN 792.5A 0,06-0,10 IN 713LC 0,75 0,25 0,20 0,15 0,005 0,007 0,012 0,01-0,02 0,30 0,20 0,10 0,35 - Ta W Al Ti Cr Nb Zr Ni 1,25-5,5-6,5 0,4-1,0 11,0-13,0 0,75 IN 738LC 1,5-2,0 2,4-2,8 3,2-3,7 3,2-3,7 15,7-16,3 0,6-1,10 0,03 IN 792.5A 3,85 4,5 3,85 4,50 3,15 3,60 3,75 4,2 12,0 13,0 1,25 0,05 0,10 0,08 0,01-0,05 Zb. Zb. Zb. 3,8-5,2 1,5-2,0 1,65 2,15 3. TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ Studované slitiny patrí do skupiny vysoce legovaných slitin a jsou vytvrzené predevším intermetalickou fází? Ni 3 (Al,Ti). Mikrostrukturu ve výchozím stavu po odlití tvorí tuhý roztok niklu s primárne vyloucenými karbidy a fází? na hranicích licích bunek. V tuhém roztoku jsou pak sekundárne vyloucené jemné cástice? prevážne ve tvaru krychlicek nebo hranolku. Objemový podíl vyloucených cástic fáze? se pohybuje mezi 45 2

3 55%, což predurcuje zpusob tepelného zpracování. Slitina IN 713LC, která je prakticky identická s u nás hojne používanou slitinou znacenou podle standardu GOST jako LVN 10, se tepelne nezpracovává, což patrí mezi její technologické prednosti. Další dve slitiny IN 738LC a IN 792-5A se zpracovávají dvoustupnove rozpouštecím a vytvrzovacím žíháním. V predchozích pracích byla rešena otázka strukturní stability sledovaných slitin [1]. Vzhledem k vysokému legování je fáze? u všech slitin stabilní až do teplot okolo 1100 C. Behem ohrevu na tuto teplotu se fáze? jen cástecne rozpouští. Z tohoto duvodu má tepelné zpracování jen omezený vliv na konecné vlastnosti slitin. Pokud je aplikováno, spocívá jeho význam predevším v homogenizaci slitiny, tj. k vyrovnání odmíšení prísad vzniklého behem tuhnutí po odlití. Následné vytvrzení pak optimalizuje disperzitu dodatecne vyloucených cástic?. Slitiny pak mají dvojí morfologii cástic této fáze, jsou to jednak hrubé cástice kubické morfologie vyloucené již pri tuhnutí odlitku, jednak jemné globulární cástice vyloucené pri vytvrzení mezi již existující fázi?. Rozdíly v mechanických vlastnostech a v žárupevnosti porovnávaných slitin jsou odvozeny od množství legujících prísad a od jejich komplexního vlivu na zpevnení tuhého roztoku, morfologie a stability karbidických cástic a od stability fáze?. 4. MECHANICKÉ VLASTNOSTI VE VÝCHOZÍM STAVU Ve výchozím stavu, tj. u slitiny IN 713LC ve stavu po odlití a u zbývajících dvou slitin ve stavu po predepsaném tepelném zpracování, byly sledovány mechanické vlastnosti zjištované zkouškami pevnosti v tahu a zkouškami vrubové houževnatosti. Na obr. 1 a 2 jsou ukázány teplotní závislosti meze pevnosti R m a smluvní meze kluzu Rp02. Uvedené hodnoty jsou vždy prumerem nekolika merení. Teplotní závislosti mají podobný prubeh. V souladu s úrovní legování slitin byly nejnižší hodnoty pevnosti zjišteny u slitiny IN 713LC a nejvyšší u slitiny IN 792-5A. Vysoké hodnoty pevnosti si slitiny udržují zhruba do 800 C, pak dochází k pomerne rychlému poklesu této vlastnosti. Okolo teploty 800 C je patrné mírné zvýšení pevnostních hodnot vyvolané dodatecným vytvrzením slitin behem temperování zkušebního vzorku na teplotu zkoušky. Tažnost je u všech slitin relativne nízká. U slitiny IN 713LC zustává nízká tažnost zachována v celém rozsahu zkušebních teplot, u zbývajících dvou slitin se priteplotách nad 800 C mírne zvyšuje. (obr.3) fáze? fáze? Nízké, ale z hlediska obvyklých vlastností niklových superslitin pomerne príznivé, jsou hodnoty vrubové houževnatosti. (obr.4) Vliv teploty na tuto mechanickou vlastnost materiálu je pomerne malý. Z dostupných údaju byly prevzaty a porovnány i creepové vlastnosti. Pri nižších teplotách je creepová pevnost slitiny IN 792-5A výrazne vyšší. To dokazuje porovnání pevností pri tecení na obr. 5. Pri teplotách nad 900 C již takové rozdíly v pevnosti pri tecení nejsou. (obr.6) 5. VLIV DLOUHODOBÉHO ŽÍHÁNÍ NA STRUKTURNÍ STABILITU U všech studovaných slitin bylo realizováno dlouhodobé žíhání pri teplote 900 C. Jeho cílem bylo posoudit strukturní stabilitu slitin. Na obr. 7 jsou ukázány zmeny tvrdosti s dobou žíhání. Behem tohoto žíhání byl zjišten pokles hodnot tvrdosti, který naznacuje, že 3

4 teplota 900 C vyvolává degradacní zmeny. Nejvýznamnejší jsou tyto zmeny u slitiny IN 792-5A. Prícinou poklesu tvrdosti je predevším postupné hrubnutí cástic fáze?. Tuto skutecnost dokumentuje stav mikrostruktury (obr. 8 a 9), kde je porovnána mikrostruktura slitiny IN 792-5A ve stavu po výchozím tepelném zpracování a po žíhání 900 C/5000 h. U slitiny IN 738LC byly vyloucené cástice fáze? po predepsaném tepelném zpracování hrubší. Behem dlouhodobého žíhání došlo rovnež k rustu cástic. (obr.10) Vzhledem k celkove hrubší disperzi fáze? však nejsou zmeny tvrdosti tak výrazné. Slitina IN 713LC nebyla pred dlouhodobým žíháním tepelne zpracována. V dusledku toho není vyloucená fáze? ve výchozím stavu homogenní. Pozorované zmeny tvrdosti behem dlouhodobého žíhání jsou v tomto prípade ovlivneny i postupným vyrovnáváním nehomogenit chemického složení. 6. ZÁVERY V predložené práci byly porovnány vlastnosti trí moderních niklových superslitin IN 713LC, IN 738LC a IN 792-5A. Bylo zjišteno, že slitiny mají velmi dobré mechanické vlastnosti do teploty 800 až 900 C. Nad touto teplotou pevnostní i creepové vlastnosti již pomerne rychle klesají. Do techto teplot jsou slitiny i strukturne velmi stabilní. Z porovnání slitin vyplývá, že slitiny IN713LC a IN738LC mají podobné žárupevné vlastnosti, slitina IN792-5A vykazuje odolnost do teplot zhruba o 100 C vyšších. Pri teplote 900 C však behem dlouhodobého žíhání dochází k degradaci mikrostruktury u všech sledovaných žárupevných niklových slitin, predevším v dusledku hrubnutí cástic fáze?. To má za následek postupné zhoršování pevnostních vlastností. PODEKOVÁNÍ Prezentované výsledky studia degradacních deju studovaných žárupevných slitin byly získány v rámci projektu programu Centra a Konsoricia, dotovaných z prostredku MPO CR. LITERATURA [1] PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., HRBÁCEK, K. Tepelné zpracování niklových superslitin. In. Sborník z konference Metal2003. Hradec nad Moravicí: Tanger, 2004 [2] Guide to Engineering Materials. Advanced Materials and Processes. 2000, vol. 158, No6, p

5 5

6 6

7 Obr. 8 Mikrostruktura slitiny IN 792-5A po výchozím tepelném zpracování Obr. 9 Mikrostruktura slitiny IN 792-5A po žíhání 900 C/5000 h Obr. 10 Mikrostruktura slitiny IN 738 LC po žíhání 900 C/5000 h 7