VLIV NĚKTERÝCH TECHNOLOGICKÝCH FAKTORŮ NA ŽÁRUPEVNOST LITÉ SUPERSLITINY IN 738 LC Jan Hakl a Tomáš Vlasák a Pavel Kovařík b Pavel Novák b a SVÚM a.s.-praha, Areál VÚ, 190 11 Praha 9, ČR, svum@mbox.vol.cz b Walter a.s., Jinonická 39, 18 01 Praha, ČR, pkovarik@walter.cz Abstrakt Slitina IN 738 LC patří mezi typické materiály vhodné pro přesné lití žárových částí leteckých a stacionárních plynových turbin. V rámci technologického vývoje a studia užitných vlastností byla hodnocena žárupevnost v závislosti na množství slévárenského vratu ve vsázce při výrobě slitiny. Dále byl sledován vliv izostatického lisování na žárupevnost materiálu odlitků. Zkoušky byly provedeny v rozsahu 800 až 90 C do časů až 300 h a kromě dob do lomu byly vyhodnoceny i creepové deformační charakteristiky v závislosti na teplotě a napětí. Alloy IN 738 LC is a typical material for investment cast hot parts of aircraft and land base gas turbines. The influence of a foundry scrap quantity during induction melting on creep properties of the alloy has been studied in frames of technological development. Additionally also an effect of hot isostatic processing on creep resistance of casting has been evaluated. Creep tests were conducted in temperature range 800-90 C and testing times up to 300 h. Expect of creep strength were additionally evaluated also creep strain characteristics. 1. ÚVOD Typickou aplikací niklové superslitiny IN 738 LC jsou statorové a rotorové lopatky leteckých i stacionárních plynových turbin. Patří do tzv. druhé generace litých slitin, které se při dostatečné úrovni žárupevnosti vyznačují zvýšenou odolností proti vysokoteplotní korozi. Odlitky se vyrábí přesným litím metodou vytavitelného modelu při aplikaci vakuové metalurgie. Stěžejní materiálovou vlastností zkoumané slitiny je žárupevnost. Podle práce [1] je možno pro IN 738 LC závislost mezi dobou do lomu, teplotou a napětím vyjádřit vztahem t F F,0 1 = t f (T) f ( σ), (1) přičemž B σ f 1 (T) = exp(q / RT), f ( σ ) = σ.10, kde t F je doba do lomu (s), T je teplota (K), σ je napětí (MPa), R=8,314.10-3 (kj/mol K). C σ + D 1
Materiálové konstanty z (1) byly v [1] na základě zhodnocení výsledků zkoušek žárupevnosti slitiny IN 738 LC vyčísleny následovně t F,0. =1,.10-11 B=-1,8 C=-7,.10-3 D=-1,1.10-7 Q=07 kj/mol. EXPERIMENT A JEHO CÍLE Pro ověření literárních údajů žárupevnsti [1] byly zvoleny tři varianty slitiny IN 738 LC od různých výrobců mateřské tavby, lišící se kvalitou vsázkových surovin a následně i výrobcem litých polotovarů pro zhotovení zkušebních tyčí. Ve všech případech bylo použito vakuové metalurgie a technologie přesného lití metodou vytavitelného modelu. Chemické složení taveb udává tab.i. Tab.I - Chemické složení hodnocených taveb v hm%, Ni=základ Prvek R 89 Q 197/1 RC 443/18 C 0,10 0,10 0,093 Cr 1,73 1,74 1,83 Co 8,34 8,4 8,3 W,4,4,0 Mo 1,80 1,74 1, Al 3,3 3,4 3, Ti 3,38 3,9 3, Nb 0,81 0,8 0,7 Ta 1,8 1,7 1,74 Zr 0,03 0,04 0,03 B 0,009 0,008 0,009 Si 0,07 0,04 <0,0 Mn <0,0 0,01 <0,0 Fe 0,3 0,31 0,07 Cu <0,0 <0,01 <0,0 P 0,009 0,003 <0,003 S 0,004 0,00 <0,003 Ag < ppm <0,1 ppm Prvek R 89 Q 197/1 RC 443/18 As <1 ppm <,0 ppm Bi <0, ppm <0,1 ppm Ga <0 ppm <1, ppm Mg <0 ppm N 14 ppm O 11 ppm Pb < ppm <0,3 ppm Sb < ppm <1,0 ppm Se <1 ppm <,0 ppm Sn <0 ppm <,0 ppm Te <0, ppm < 1,0 ppm Tl <0, ppm <0, ppm Zn <4 ppm <1,0 ppm Cd <0,1 ppm In <0,1 ppm µn V,8,9,30 N Vkrit,3,38,39 První mateřská tavba o hmotnosti cca 00 kg byla zhotovena v PBS V.Bíteš pod tavbových označením R89 pouze z vratného materiálu. Z ingotů pak v téže slévárně byly odlity kónické polotovary, které byly použity k výrobě zkušebních tyčí s měrným průměrem a délkou 4x1 mm se závitovými hlavami M1x1 mm. Druhá mateřská tavba, která měla hmotnost cca 1t, byla zhotovena z 0% slévárenského vratu a 0% čistých komponent a dodána od fy WILLAN METALS pod označením Q 197/1. Z ní byly ve slévárně Walter Deritend odlity bloky tzv. čtyřlístků. Třetí mateřská tavba opět o hmotnosti cca 1t byla zhotovena pouze z čistých komponent u fy ROSS and CATHERALL pod tavbovým označením RC 443/18. Polotovary ve tvaru čtyřlístků byly odlity opět ve slévárně Walter Deritend. Hodnocená slitina je při nevhodné kombinaci obsahů legujících prvků náchylná k sigmatizaci struktury během provozu. Pro zabránění tohoto jevu bylo k optimalizaci chemického složení použito postupu PHACOMP [,3] a vypočteny tzv. střední koncentrace elektronových vakancí µn V. Hodnoty tohoto parametru jsou pro jednotlivé tavby uvedeny v tab.i. Pro IN 738 se běžně uvádí hodnoty N Vkrit =,3 [,4]. Podle zpřesněného postupu [] se pro IN 738 LC N Vkrit určuje pomocí vztahů N Vkrit =,3-0,1(Ti-Al) pokud (Nb+Ta),7 nebo N Vkrit =,30-0,1(Ti-Al) pokud (Nb+Ta)>,7. Znaky Ti, Al, Nb a Ta jsou míněny hm% uvedených prvků ve slitině. Je zřejmé, že u všech taveb byly hodnoty µn V nižší než kritické
N Vkrit. Znamená to, že ve struktuře materiálu sledovaných taveb by během teplotní expozice neměla precipitovat fáze σ. Polovina vzorků z druhé a třetí mateřské tavby byla podrobena izostatickému lisování (pro tento proces budeme dále používat zkratku HIP) v podniku DIAS Turnov postupem 1180 + C/103±MPa/3 h. Druhá polovina pak byla ponechána bez lisování. 340 90 40 Teplota 800 C 190 Teplota 80 C Teplota 8, C 140 Teplota 900 C Teplota 930 C Teplota 90 C 90 0 100 1000 10000 Doba do lomu [h] Obr.1. - Žárupevnost materiálu tavby R89 ve srovnání se souborem podle [1]. 340 90 40 190 140 1 10 Polotovary ze všech taveb byly tepelně zpracovány jednotným postupem 110±10 C/ h/vzd. + 84± C/4 h/vzd. (které bylo u druhé a třetí tavby provedeno po HIP). Z polotovarů ve tvaru čtyřlístků byly vyrobeny zkušební tyče s měrným průměrem x0 mm se závitovými hlavami M1x1 mm. Zkoušky žárupevnosti byly provedeny na vzduchu při stálém zatížení. Z popisu přípravy experimentálního materiálu je zřejmé, že naším cílem bylo - ověření úrovně tuzemské technologie ve vztahu k literárním údajům - hodnocení vlivu složení vsázky mateřské tavby a postupu HIP při výrobě odlitků na žárupevnost - verifikace metodiky PHACOMP pro predikci sigmatizace slitiny Rozsah experimentů umožnil kromě určení pevnosti při tečení též vyhodnotit i creepové deformační charakteristiky, které se v nám dostupné literatuře o IN 738 LC nevyskytují. 3. VÝSLEDKY K porovnání našich výsledků s literárními údaji je jako srovnávací soubor na obr. 1-3 vynesen plnými křivkami průběh středních hodnot dob do lomu v závislosti na napětí pro bez HIP 800 C 800 C 80 C 80 C 8, C 90 100 1000 10000 Doba do lomu [h] Obr. 3. - Žárupevnost materiálu tavby Q179/1 ve srovnání se souborem podle [1]. po HIP 8, C 900 C 900 C 90 C 90 C námi sledované zkušební teploty, vyhodnocený podle vztahu (1). Pro jednotlivé tavby jsou pak znaky vyznačeny dosažené experimentální výsledky. Zkoušky žárupevnosti materiálu tavby R89 byly uskutečněny v rozsahu teplot 800 90 C a napětí 10-30 MPa. Časové změny deformace u tohoto souboru měřeny nebyly. Z porovnání experimentálních dob do lomu (viz obr.1) se srovnávacím souborem je zřejmé, že velká většina našich výsledků se systematicky nachází pod úrovní literárních dat. Tavba R89 má tedy nižší žárupevnost. Žárupevnost taveb Q197/1 a RC 443/18 byla testována opět v rozmezí teplot 800-90 C, a to při rozsahu napětí 100-30 MPa. Grafické znázornění výsledků podává pro první 340 90 40 bez HIP po HIP 190 800 C 800 C 80 C 80 C 140 8, C 8, C 900 C 900 C 90 C 90 C 90 0 100 1000 10000 Doba do lomu [h] Obr.. - Žárupevnost materiálu tavby RC 443/18 ve srovnání se souborem podle [1]. 3
materiál obr. a pro druhý obr.3. Odlišně vyznačenými body jsou zde znázorněny výsledky zkoušek bez nebo s aplikací HIP. Z experimentálních dat lze vyvodit, že v obou případech bylo dosaženo výsledků shodných se srovnávacím souborem. Kromě toho nebyl shledán systematický vliv procesu HIP na žárupevnost. Vzhledem k uvedenému konstatování pak byly vyhodnoceny doby do lomu a creepové deformační charakteristiky taveb Q 197/1 a RC 443/18 dále jako jeden soubor. Pro dobu do lomu byl použit vztah [13] log t r = A + A log + A log[ sinh( A σ T )] + A log log[ sinh( A σ T )] () 1 3 4 T A T A kde t r je doba do lomu (h), 10000 Teplota 800 C σ je napětí (MPa), Teplota 80 C Teplota 8, C T je teplota (K), Teplota 900 C Teplota 90 C A 1 -A jsou materiálové konstanty. Grafické znázornění průběhu regrese () s vyznačením experimentálních dat je na obr.4. Pro zkoušky tečení taveb Q 197/1 a RC 443/18 byly dále vyhodnoceny jednotlivé creepové křivky pomocí modelu [14] ε [ g( π() t )] m ε c = ε 0 (3) ε0 g K N 1+ exp ( ()) ( π ) π t π 1+ exp( ) t r M Doba do lomu [h] 100 90 140 190 40 90 340 Obr. 4. - Žárupevnost slitiny IN 738 LC (tavby Q197/1 a RC443/18) vyhodnocená vztahem () = (3a) t π = (3b) 1000 σ ε 0 10 E = (3c) ( T) E 3 E( T) = E1 + E exp T (3d) kde ε c je celková creepová deformace (%), t je čas (h), t r je doba do lomu (h), ε 0 je počáteční deformace (%), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), K, M, N, ε m, E 1-3 jsou materiálové konstanty. 4
Vyhodnocení křivek umožnilo vyhodnotit teplotní a napěťové závislosti meze tečení a rychlosti tečení. V obou případech byl použit regresní model (), přičemž v prvém případě byla aplikována rovnice [13] log t1 = B1 + B log + B3 log[ sinh( B σ T )] + B4 log T B T B log[ sinh( B σ T )] (4) kde t 1 je doba do dosažení celkové deformace 1% (h), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), B 1 -B jsou materiálové konstanty. a v druhém rovnice [14] log ε& = C + C log + C log[ sinh( C σ T )] + C log log[ sinh( C σ T )] () 1 3 4 T C T C kde ε& je minimální rychlost tečení (%/h), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), C 1 -C jsou materiálové konstanty. Příslušné materiálové konstanty ze vztahů (), (4) a () jsou uvedeny v [1]. Grafická znázornění průběhu regresních závislostí mezí a rychlostí tečení a Rychlost tečení [%/h] 0,1 0,01 0,001 Teplota 800 C Teplota 80 C Teplota 8, C Teplota 900 C Teplota 90 C Čas k dosažení deformace 1% [h] 10000 1000 100 10 90 140 190 40 90 340 Mez tečení 1% [MPa] Teplota 800 C Teplota 80 C Teplota 8, C Teplota 900 C Teplota 90 C Obr. - Meze tečení 1% slitiny IN 738 LC (tavby Q197/1 a RC443/18) vyhodnocené vztahem (4) 0,0001 0 100 10 00 0 300 30 400 Obr. - Rychlost tečení slitiny IN 738 LC (tavby Q197/1 a RC443/18) v závislosti na teplotě a napětí vyhodnocená vztahem () odpovídajících experimentálních výsledků, vyhodnocených výše uvedeným způsobem jsou na obr. a. Doplňující informace technologického rázu a úplné výsledky zkoušek lze nalézt v [,7]. 4. METALOGRAFIE Vzhledem k výsledkům zkoušek žárupevnosti byly k dalším analýzám zvoleny pouze vzorky z taveb Q 197/1 a R 443/18. Cílem bylo posouzení sklonu těchto taveb k sigmatizaci struktury vlivem teplotní a napěťové expozice. K studiu byly vybrány vzorky po expozici řádu 10 3 h při 80 C (kdy lze výskyt σ-fáze očekávat) a 90 C (kdy je precipitace σ-fáze již nepravděpodobná, ale teplota je zajímavá z hlediska možné aplikace). Vybrané vzorky byly broušeny a leštěny běžnými metalografickými technikami a před pozorováním na světelném mikroskopu leptány činidlem 7,gFeCl 3 +7,gCuCl +10mlH O+30mlHCl+0mlHNO 3.
Obr.7.- Vzorek z materiálu tavby RC443/18 po creepové expozici 301,7h při teplotě 80 C a napětí 00MPa Obr.8 - Vzorek z materiálu tavby Q197/1 po creepové expozici 1317,h při teplotě 90 C a napětí 100MPa
Typická struktura po expozici 80 C je dokumentována na obr.7. Lze konstatovat, že fáze γ hrubne, karbidické částice na hranicích se propojují do souvislých obálek a okolo primárních ostrohranných karbidů se vytváří denudované zóny. Fáze σ detekována nebyla. Při teplotě 90 C (viz obr.8) je hrubnutí karbidů a jejich propojování na hranicích intenzivnější. Místy lze pozorovat, že koagulující částice fáze γ se propojují (a vzniká jev, označovaný v zahraniční literatuře pojmem rafting). Výskyt fáze σ podle očekávání nebyl konstatován.. DISKUSE Z výsledků provedených experimentů je zřejmé, že úroveň stávající slévárenské technologie v ČR umožňuje vyrábět odlitky, jejichž žárupevnost je plně srovnatelná s literárními údaji o slitině IN 738 LC. Ve slévárnách přesného lití je však nutné používat mateřské tavby, zhotovené adekvátním metalurgickým postupem [8]. Dále bylo prokázáno, že přísada 0% slévárenského vratu v mateřské tavbě nemá negativní vliv na žárupevnost slitiny v porovnání s mateřskou tavbou z čistých komponent. Předmětem dalších studií může být zvyšování podílu vratu ve vsázce podle stupně využití kovu ve slévárenském procesu. V podstatě by to mělo být možné. Vícenásobným přetavováním ve vakuu totiž dochází k selektivnímu odpařování nežádoucích nízkotavných příměsí (viz.tab.i), což má za následek zvyšování žárupevnosti. Současně však může docházet k nárůstu obsahu kyslíku a dusíku, které mají na vlastnosti slitiny opačný vliv. Cesta k odstraňování těchto plynů vede přes moderní metalurgické procesy [8,9]. Druhování vsázky je přitom nutno důsledně provádět tak, aby chemické složení tavby bylo optimalizováno z hlediska zabránění sigmatizace struktury. Vliv procesu HIP na úroveň žárupevných vlastností nebyl zjištěn. Tato skutečnost není příliš překvapivá. Zacelení případných slévárenských defektů (mikroporezity) by se spíše projevilo při dynamickém namáhání (porušování únavovými mechanizmy) než při creepovém procesu [10,11]. Náchylnost k sigmatizaci lze predikovat postupem PHACOMP. Předpokládá ovšem spolehlivost výsledků chemické analýzy a pro výrobu odlitků používaní pouze ingotů z dokonale homogenizované mateřské tavby s garantovaným složením. S ohledem na zaměření naší práce na metalurgii a technologii lze ještě upozornit na studii [1], orientovanou na optimalizaci tepelného zpracování IN 738 LC postupem 110-1140 C/ h/pec+80-840 C/4 h/vzd s cílem dosahování požadovaných úrovní mezí kluzu. Kromě uvedených zjištění považujeme za přínos naší práce popis plastických charakteristik IN 738 LC, které jsou nezbytné pro moderní způsoby konstruování, avšak v dostupné literatuře nejsou k dispozici.. ZÁVĚR V souvislosti s výrobním osvojováním slitiny IN 738 LC pro aplikaci v tuzemských konstrukcích byly provedeny dílčí experimentální práce, jejichž výsledky lze shrnout stručně takto: a) Provedené zkoušky žárupevnosti prokázaly, že v tuzemských podmínkách lze dosáhnout vlastnosti srovnatelné s literárními údaji. b) Při výrobě mateřských taveb je možno zpracovávat alespoň 0% slévárenského vratu, aniž by došlo ke zhoršení žárupevnosti oproti slitině zhotovené z čistých komponent. Lze soudit, že množství vratu ve vsázce bude možno ještě zvýšit. c) Nebyl konstatován vliv HIP na žárupevnost slitiny. d) K prevenci sigmatizace slitiny je vhodné používat postup PHACOMP. e) Pro potřeby konstruktéry byla podle tuzemských metodik vyhodnocena žárupevnost a creepové charakteristiky slitiny. 7
7. LITERATURA [1] BUCHMAYER,B.-KRÖCKEL,H.: Data and Data Evaluation for Component Design. In.: High Temperature Alloys for Gas Turbines and other Applications, p.3-4. D.Riedel Publ.Co., Dordrecht, 198. [] SIMS,C.T.: The Occurrence of Topologically Close-Packed Phases. In.: The Superalloys, p.9-84. Ed.: C.T.Sims and W.C. Hagel, John Wiley and Sons, N.York, 197. [3] HAKL,J.-VLASÁK,T.: Vývoj žárupevné Ni slitiny pro lopatky plynových turbin se zvýšenými požadavky na životnost a spolehlivost. Výzk. zpráva č. 03110011/a, SVÚM Praha, 000. [4] Alloy IN 73. Nickel-Base, Vacuum Cast, High Temperature Alloy, Technical Data, International Nickel, Sept.198. [] DUSTAN,A.: Osobní sdělení. Ross and Catherall, Sheffield, leden 1991. [] HAKL,J.-VLASÁK,T.-KOVAŘÍK,P.-NOVÁK,P.: Vývoj žárupevné Ni slitiny pro lopatky plynových turbin se zvýšenými požadavky na životnost a provozní spolehlivost. Výzk. zpráva č. 0310011, SVÚM Praha, 001. [7] HAKL,J.-VLASÁK,T.: Zkoušky tečení slitin ŽSW a IN 738 LC. Závěrečná zpráva č. 31007, SVÚM Praha, 00. [8] WAUDBY,P.E.: Application of the SUPERVAC Process for the Recycling of Nickel-Based Alloys. In.: Precast 9, 8 th International Symposium on Investment Casting. Ed.: J.Hakl, SPL, Brno,199. [9] WAUDBY,P.E.-GEORGE,G.: Use of SUPERVAC Melting and Advanced Casting Technology in the Production of High Integrity Large Castings. 0 th European Conference on Investment Casting, June 198, Brussels. Ed: EICF, Alvechurch, Birmingham, 198. [10] ATKINSON,H.V.-RICKINSON,B.A.: Hot Isostatic Processing. Adam Hilger IPO Publishing, Ltd. Bristol, 1991. [11] McCALLUM,R.-LANG,W.-LOY,R.: Further Development Work on High Strength High Integrity Investment Castings. 0 th European Conference on Investment Casting, June 198, Brussels. Ed.: EICF, Alvechurch, Birmingham, 198. [1] PODHORNÁ,B.-KUDRMAN,J.-HRBÁČEK,K.: Optimalizace tepelného zpracování odlitků ze slitiny IN 738 LC. Sborník konf. METAL 000, paper No 14. Ed.: Tanger, Ostrava 000. [13] PECH, R.-KOUCKÝ, J.-BÍNA, V.: Matematizace hodnot pevnosti při tečení československých žárupevných ocelí pro výrobu trub. Strojírenství 9 (1979), č.7, s.389. [14] BÍNA, V.-HAKL, J.: Relation between Creep Strength and Strength for Specific Creep Strain at Temperatures up to 100 C, Mat. Sci. Eng. A34-3 (1997), pp. 83-8. [1] HAKL, J.-VLASÁK, T.-KOVAŘÍK, P.,-NOVÁK, P.: Některé poznatky o technologii a žárupevnosti lité superslitiny IN 738 LC, Zpráva SVUM č. 31 003/, Praha, 00. 8