VYSOKOTEPLOTNÍ CREEPOVÉ VLASTNOSTI SLITINY Fe31Al3Cr S PŘÍSADOU Zr. HIGH TEMPERATURE CREEP PROPERTIES Fe31Al3Cr ALLOY WITH Zr ADITIVE

Transkript

1 VYSOKOTEPLOTNÍ CREEPOVÉ VLASTNOSTI SLITINY Fe31Al3Cr S PŘÍSADOU Zr HIGH TEMPERATURE CREEP PROPERTIES Fe31Al3Cr ALLOY WITH Zr ADITIVE Pavel Hanus Petr Kratochvíl Technická univerzita v Liberci, Katedra materiálů FS, Hálkova 6, Liberec, ČR, Pavel.Hanus@tul.cz Abstrakt Aluminidy železa (Fe28Al3Cr at.%) s přísadou Zr jsou materiály charakteristické nízkou cenou, nízkou měrnou hmotností a výbornou vysokoteplotní odolností proti oxidaci a sulfidaci. Aluminidy železa byly creepově testovány s konstantním zatížením v rozsahu MPa při teplotě C. Použitím vysokoteplotního žíhání při teplotě 1150 C došlo k podstatnému zlepšení creepových vlastností (čas do lomu - TTR, creepová pevnost 1000h, minimální creepová rychlost - MCR, atd.). Abstract Iron aluminides (Fe28Al3Cr at.%) with small amounts of Zr are structural materials characterised by low material costs, low density, and excellent high temperature oxidation and sulfidation resistance. Iron aluminides were tested in creep under constant load ranging from 100 to 200 MPa at C. The high temperature anealing at 1150 C. The creep characteristics (time to rupture - TTR, creep rupture strength 1000h, minimum creep rate - MCR, etc.) was investigated. 1. ÚVOD Uspořádané intermetalické materiály na bázi aluminidů železa jsou známy vynikající odolností vůči oxidaci a sulfidaci a to zejména při vysokých teplotách. Při tom je nutno zvýšit vysokoteplotní pevnost a creepovou odolnost [1,2,3]. Creepové testy se používají zejména při teplotách v rozsahu C. Přidáním slitinových prvků [4,5] se zlepšuje creepová životnost a snižuje minimální creepová rychlost (MCR). Navíc u komplexní slitiny [5] se ukázalo, že je možné creepovou pevnost zvýšit vysokoteplotním žíháním (obr. 1). Zvýšení creepové odolnosti bylo dosaženo kombinací precipitačního zpevnění a/nebo zpevněním tuhým roztokem; konkrétně lze např. prodloužit TTR a snížit MCR minimální creepovou rychlost přidáním mikrolegujících prvků. Při klesání teploty vznikají totiž precipitáty vytvářejí ve struktuře B2 jemnou disperzi karbidů, boridů nebo Lavesových fází. Volí se ty, které jsou stabilní při teplotě použití. Předmětem této práce je příprava slitiny s optimalizovanými creepovými vlastnostmi. Jsou popsány vysokoteplotní creepové vlastnosti slitin na bázi aluminidu železa s přísadou Zr a porovnány s vlastnostmi dříve testovaného materiálu s přísadou TiB 2 [6,7]. 1

2 Obr. 1: TTR v závislosti na teplotě žíhání, chlazení proběhlo na vzduchu [5]. Fig. 1: The dependence of TTR on the temperature of annealing, free cooling on air after anealing [5]. 2. EXPERIMENT Pro experiment byly použity dvě slitiny uvedené v Tab. 1. Slitiny byly nataveny ve vakuové peci a odlity pod argonem ve VÚK Panenské Břežany. Tab. 1: Chemické složení slitin (at. %). Tab. 1: The composition of alloys (at. %). Al Cr Mn Zr C Slitina 0,5 Zr Slitina 0,25 Zr Z obou byl zhotoven odlitek deskového tvaru o půdorysu 120x40 mm. Ten byl válcován ve VÚK Panenské Břežany při teplotě 1200 C v několika krocích na tloušťku 13 mm s celkovou redukcí 68%. Vzorky (délky 25 mm a průměru 5 mm) pro creepový experiment v tahu jsou zhotovené s osou rovnoběžnou se směrem válcování. 2.1 Struktura Struktura materiálu pro válcování a po žíhání je patrná z obr. 2, protáhlý tvar zrn odpovídá prvotnímu válcování. Na obr. 3 je materiál po žíhání při teplotě 1150 C/2h s rovnoosým tvarem zrn. Creepové zkoušky byly provedeny na vzorcích ve výchozím stavu (po válcovaní) a žíhaných při 1150 C/2hodiny a následně volně chlazených na vzduchu. Creepové testy proběhly na vzduchu s konstantním zatížením při teplotě C. Přesnost nastavení testované teploty byla v rozsahu 3 C. Prodloužení bylo měřeno s přesností 10 µm. 2

3 Obr. 2: Struktura materiálu s 0,25 at.% Zr po válcování. Fig. 2: Structure of material with 0.25 at.% Zr after rolling. Obr. 3: Struktura materiálu s 0,25 at.% Zr po válcování a žíhání 1150 C/2h. Fig. 3: Structure of material with 0.25 at.% Zr after rolling and annealing at 1150 C/2h. Mikrostruktura byla sledována pomocí optické (OM) a transmisní elektronové mikroskopie (TEM). OM byla provedena na mikroskopu Nikon Epiphot 200 vybaveném Nomarského diferenciálním kontrastem na válcové části tyče tj. mimo krček. Leštění vzorků proběhlo kombinací leptadel Buehler Mastermet a Rollason (100ml H 2 O + 50ml HCl 38% + 5g chlorid železitý). Dislokační struktury po deformaci byly sledována pomocí TEM JEOL 2000 FX. Tenké fólie pro TEM byly odebrány kolmo na osu válcové části vzorků. Vzorky byly elektrolyticky leštěny ve 20% roztoku HNO 3 v metanolu při teplotě 30 C. 3. VÝSLEDKY A DISKUSE Na obr. 4 je minimální rychlost tečení (MCR) dε/dt v závislosti na zatížení a teplotě. Je zřejmé, ze rychlost tečení je tím větší, čím je vyšší teplota a působící napětí. Hodnoty MCR slitin s 0,25 a 0,5 Zr jsou při teplotě 600 C ve stavu po válcování srovnatelné. Nejnižší MCR vykazuje slitina 0,25 Zr po žíhání při 1150 C po dobu 2 hodin. Z obr. 5 je patrné porovnání naměřených hodnot dob do lomu (TTR) týchž materiálů. Je patrné, že výsledky souvisí s tendencí patrnou na obr. 4 pro MCR. Nejdelší dobu do lomu 9334h má tepelně zpracovaný materiál 0,25 Zr při zatížení 100MPa. Při celkové deformaci jen 0,71%. Velmi dobrých hodnot dosáhl tentýž materiál ve výchozím stavu a podobně i slitina 0,5 Zr. Z hlediska technické praxe jsou zajímavé doby, při nichž se při různých napětích dosahuje deformace 1% (obr. 6). Je patrné, že jednoprocentní deformace žíhané slitiny Zr 0,25, nastává např. při zatížení 120MPa, až po 8000h. 3

4 Obr. 4: Porovnání MCR v závislosti na zatížení obou aluminidů se Zr (podle [7]). Fig. 4: The comparison of the dependences of MCR on load for both observed aluminides with Zr [7]. Obr. 5: Porovnání TTR v závislosti na zatížení obou sledovaných materiálů. Fig. 5: The comparison of dependences of TTR on load for both observed materials. 4

5 Obr. 6: Doba do deformace 1% v závisloti na zatížení při teplotě 600 C. Fig. 6: Dependence of the time to deformation 1% on load at 600 C. Obr. 7: Creepová pevnost 1000h pro binární složení Fe 3 Al, materiál s přísadou TiB 2, aluminid s karbidy [8], a pro oba materiály sledované v této práci. Fig. 7: Creep strenght 1000h for binary Fe 3 Al, material with TiB 2, iron aluminide with carbides [8], and for both materials tested in this paper. Creepové vlastnosti sledovaných slitin jsou v porovnání s obdobnými materiály ze zahraničí srovnatelné. Je to patrné např. z obr. 7, kde jsou porovnány creepové pevnosti (napětí, při nichž dochází k lomu po 1000h v závislosti na teplotě) základní binární slitiny Fe 3 Al, slitiny s přísadou TiB 2, zahraniční slitiny Fe 3 Al s karbidy [8], slitiny Zr 0,25 ve výchozím stavu po 5

6 válcování, bod pro tutéž slitinu v žíhaném stavu a bod pro slitinu Zr 0,5 ve výchozím stavu. Velmi dobrá úroveň creepových vlastností námi sledovaného materiálu s Zr je zřejmá. Pro objasnění pozitivního efektu žíhání lze použít pozorování mikrostruktury pomocí TEM. U vzorku Zr 0,25 ve výchozím stavu po válcování (obr. 8) se příznivé vlastnosti připisují karbidickým částicím [7]. Tyto částice se při žíhání rozpouštějí a po ochlazení zůstávají atomy Zr a C částečně rozpuštěny (zpevňují matrici) a částečně vytvářejí drobné částice patrné na obr. 9. Tyto drobné karbidy se dosud nepodařilo identifikovat [7]. Obr. 8: Mikrostruktura materiálu s 0,25 at.% Zr po válcování. Úsečka je 200 nm. Fig. 8: Microstucture of the material with 0.25 at.% Zr after rolling. The bar is 200 nm. Obr. 9: Struktura vzorku po válcování a žíhaní při 1150 C/2h a po creepovém testu při teplotě 600 C. Patrné jsou drobné částice Zr-C. Fig. 9: The microstructure of the sample after rolling and anealing at 1150 C/2h and after creep test at 600 C. The area containig tiny Zr C particles. 6

7 4. ZÁVĚRY 1. Dvě slitiny aluminidu železa Fe 3 Al s přísadou Zr byly testovány na creepovou odolnost při teplotách C. 2. Vysokoteplotním žíháním bylo dosaženo významného zlepšení minimální creepové rychlosti, doby do lomu a doby do 1% deformace, které je připisováno pozitivnímu efektu zpevnění substitučního rozpouštění atomy zirkonia a zpevnění velmi drobnými částicemi Zr C. 3. Úvodní creepové testy slitiny Zr 0,5 ukazují, že ve stavu po válcování vykazuje tento materiál ve všech kriteriích srovnatelné se slitinou Zr 0,25. PODĚKOVÁNÍ Práce vznikla v rámci projektu MSM financovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky. LITERATURA [1] McKAMEY, C., G., aj.: J. Mater. Res., 6, 1991, s [2] VEDULA, K.: In Intermetallics Compounds. Eds.: Westbrook, J. H., Fleischer, R. L. Vol. 2. John Wiley & Sons, New York 1995, s [3] DEEVI, S., C., SIKKA, V., K.: Intermetallics, 4, 1996, s [4] MORRIS, D., G., NAZMY, M., NOSEDA, C.: Scr. Metall. Mater., 3, 1994, 173. [5] McKAMEY, C. G., MASIASZ, P., J.: Intermetallics, 6, 1998, s [6] KRATOCHVÍL, P., aj.: High-temperature deformation of Fe 3 Al alloys with TiB 2 or Ce additions, Kovové mater., 44, 2006, s [7] KRATOCHVÍL, P. aj.: High temperature mechanical properties of Zr alloyed Fe3Al type iron aluminide, Intermetallics, 15, 2007, s [8] MORRIS, D., G., MUNOZ-MORRIS, M., CHAO, J.: Development of high strenght, high ductility and high creep resistant iron aluminide, Intermetallics, 12, 2004, s