DEGRADACE STRUTURY A MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ SLITINY LVN13 DLOUHODOBÝM ÚČINKEM TEPLOTY LONG-TERM DEGRADATION OF STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF LVN13 ALLOY INDUCED BY TEMPERATURE Božena Podhorná a Jitka Kabátová a Karel Hrbáček b Antonín Joch b a UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 Praha Zbraslav, e-mail: podhorna@ujp.cz b PBS Velká Bíteš a.s. Vlkovská 279, 595 12 Velká Bíteš, e-mail:hrbacek.karel@pbsvb.cz Abstrakt Práce shrnuje výsledky studia strukturní stability a mechanických vlastností lité žárupevné slitiny LVN13, vytvrzené fází γ. Bylo realizováno dlouhodobé žíhání při teplotě 700 C, což je předpokládaná pracovní teplota pro odlitky, vyrobené z této slitiny. V práci jsou popsány a vyhodnoceny změny mikrostruktury a základních mechanických vlastností po dlouhodobé vysokoteplotní expozici. Abstract The paper summarizes achieved results of structure stability and mechanical properties of studied creep-resisting cast alloy LVN13 hardened by γ phase. Considering a service temperature of its castings, LVN13 alloy was long-term annealed at 700 C. In this paper, changes of microstructure and basic mechanical properties induced by long-term high temperature exposure are described and evaluated. 1. ÚVOD Slitina LVN13 je žárupevná litá austenitická chromniklová ocel, vytvrzená intermetalickou fází γ Ni 3 (Al,Ti). Slitiny tohoto typu jsou málo využívány v praxi pro problémy s odléváním. Je dávána přednost méně legovaným niklovým slitinám, jejichž vlastnosti sice u daného odlitku nejsou plně využity, ale menší metalurgické problémy s jejich odléváním kompenzují vyšší cenu. Ekonomická hlediska se však stále více uplatňují a ve spojení s novými znalostmi o metalurgii materiálů tohoto typu, lze tyto slitiny považovat za velmi perspektivní. Z tohoto důvodu byla v minulých letech v PBS Velká Bíteš věnována pozornost vývoji této slitiny. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Studovaná slitina LVN13 je v podstatě odvozena modifikací chemického složení slitiny LVN3 (15Cr32NiMoWTiAlB) a upřesněním režimu jejího tepelného zpracování. Je legována 35 %hm niklu a 15 %hm chrómu. Pro zajištění dobré žárupevnosti je významné legování hliníkem a titanem, které ve slitině vytvářejí vytvrzující fázi γ / Ni 3 (Al,Ti). Dobrých žárupevných vlastností do teploty 750 C je dosahováno také zpevněním tuhého roztoku molybdenem a wolframem. Metalurgické problémy, vyvolané horší slévatelností austenitických ocelí byly v podstatě odstraněny snížením hladiny uhlíku a legováním bórem. Metalografická analýza ukázala, že přítomnost bóru významně ovlivňuje vylučování primárních fází na rozhraní licích buněk licí struktury. Dochází k zjemnění primárních částic vyloučených na hranicích licích buněk a také bylo pozorováno, že se snižuje jejich celkový objem [2]. To zaručuje dobré licí vlastnosti při odlévání ve vakuu za použití technologie přesného lití na vytavitelný model. Předepsané chemické složení slitiny LVN13 je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení [hm.%] Table 1. Chemical composition [wt.%] C Cr Mo Al Ti Fe W Mn Ta Zr Nb S Si P B Ni 0,03 14,0-16,0 0,80-1,50 2,50-3,50 0,80-1,20 základ 2,50-3,50 0,50 - - - 0,015 0,50 0,015 0,08- -0,12 30,0-35,0
Na základě provedených výzkumných prací bylo zjištěno, že optimálních mechanických vlastností a optimální pevnosti při tečení je dosahováno po tepelném zpracování za podmínek [3, 4]: 1150 C/2 h/argon (vakuum) + 750 C/20 h/vzduch. V rámci prací [5, 6] byly také posuzovány další dvě varianty tepelného zpracování, které by byly ekonomicky výhodnější: 1080 C/4 h/vzduch + 750 C/20 h/vzduch, 750 C/24 h/vzduch. Snížení teploty žíhání snižuje energetickou náročnost tepelného zpracování a vzhledem k velmi dobré odolnosti slitiny proti korozi za tepla i dává možnost dalších úspor žíháním na vzduchu. Výsledky provedených šetření ukázaly, že u všech režimů tepelného zpracování došlo ke zvýšení hodnot meze kluzu při 20 C o více jak 100MPa. Vyšší hodnoty zůstávají zachovány až do teploty 700 C. Rozdíly mezi jednotlivými režimy tepelného zpracování jsou minimální. Bylo konstatováno, že vypuštěním rozpouštěcího žíhání byly mechanické vlastnosti slitiny LVN13 ovlivněny minimálně. Bylo pozorováno pouze slabé snížení meze pevnosti. Ostatní sledované mechanické vlastnosti byly na srovnatelných úrovních. Mikrostruktura slitiny LVN 13 ve stavu po odlití je ukázána na obr. 1. Je tvořena austenitickou matricí, ve které jsou na rozhraních buněk licí struktury hrubé, primárně vyloučené karbidy a fáze γ. Na hranicích dendritických buněk se také mohou vylučovat globulární částice. Jedná se převážně o boridy typu M 3 B 2. Vytvrzování základní hmoty sekundární fází γ, která se vyloučila ve velmi jemné formě, probíhá značně nehomogenně. Počíná na rozhraní licích buněk, kde je pravděpodobně vyšší koncentrace Ti a Al a tudíž příznivější podmínky pro vznik těchto částic. Mikrostruktura slitiny po tepelném zpracování nejjednodušší variantou tj. použitím pouze vytvrzujícího žíhání při teplotě 750 C je ukázána na obr. 2. Při této teplotě vytvrzovacího žíhání nedochází ke změnám primárně vyloučených částic na rozhraních licích buněk. V průběhu výdrže na teplotě dochází k mírnému hrubnutí částic fáze γ a jen k pomalému šíření precipitace od rozhraní licích buněk do jejich středu. Lze konstatovat, že rozpouštěcí žíhání vede k vyrovnání nehomogenit chemického složení, což se projevuje rozpouštěním jemných částic vyloučených v oblasti maximálního odmíšení přísad. Obr. 1. Mikrostruktura slitiny LVN13 - stav po odlití Fig. 1. Microstructure alloy LVN13 - after casting Obr. 2. Mikrostruktura slitiny LVN13 - stav po TZ Fig. 2. Microstructure alloy LVN13 - after heat treatment 3. STRUKTURNÍ STABILITA PO DLOUHODOBÉM ŽÍHÁNÍ Vzhledem k předpokládanému použití slitiny LVN13 pro vyvíjené díly oběžných kol a statorových částí turbodmychadel nové generace bylo nezbytně nutné ověřit strukturní stabilitu a mechanické vlastnosti slitiny po dlouhodobé výdrži na provozní teplotě. Dlouhodobé exploataci na teplotě 700 C byly podrobeny metalografické vzorky ve tvaru válečků o průměru 15mm výšce 20mm. Doby výdrže byly stanoveny na 50, 100, 500, 1000, 0 a 5000 hodin. Po uplynutí stanoveného počtu hodin byla
u všech vzorků vyhodnocena mikrostruktura a tvrdost HV30. Z hodnot tvrdosti vyplývá, že při žíhání po dobu 50h dochází k dalšímu vytvrzování slitiny, které mírně pokračuje až do doby žíhání h. K dalšímu zvýšení hodnot tvrdosti došlo po 1000h výdrže na teplotě 700 C, které dále pokračovalo až do doby výdrže 5000h. Toto zvýšení hodnot tvrdosti je již natolik významné, že je možné předpokládat vylučování nových tvrdých fází, které způsobují toto zvýšení tvrdosti. Vliv dlouhodobého žíhání na tvrdost slitiny je uveden na obr. 3. 340 320 Tvrdost [30 HV] 280 260 240 220 0 1000 0 0 4000 5000 6000 Čas žíhání [h] Obr. 3. Vliv dlouhodobého žíhání na tvrdost slitiny Fig. 3. Effect of long-term annealing on alloy ardnession Obr. 4. Mikrostruktura slitiny LVN13 po žíhání 700 C/50h Fig. 4. Microstructure alloy LVN13 after annealing 700 C/50h Stav struktury po 50h výdrže na teplotě je ukázán na obr. 4, dochází k dalšímu vytvrzování vylučováním velice jemné fáze γ. Tento stav se nemění až do doby 500h. Po 1000h žíhání dochází k vylučování nové fáze s největší pravděpodobností σ, a to především v tmavých oblastech intenzivnějšího vylučování fáze γ (obr.5). Po žíhání 5000h je stav materiálu zcela degradován, vylučování intermetalické fáze je velice intenzivní (obr.6). Pozorovaný stav struktury je ve shodě s měřením tvrdosti. Obr. 5. Mikrostruktura slitiny LVN13 po žíhání 700 C/1000h Fig. 5. Microstructure alloy LVN13 after annealing 700 C/1000h Obr. 6. Mikrostruktura slitiny LVN13 po žíhání 700 C/5000h Fig. 6. Microstructure alloy LVN13 after annealing 700 C/5000h 4. VLIV DLOUHODOBÉHO ŽÍHÁNÍ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI Izotermickému žíhání při 700 C byly také podrobeny polotovary pro mechanické zkoušky ve tvaru tyček o průměru 15mm a délce cca 80mm. Z těchto polotovarů byly vyrobeny vzorky pro stanovení hodnot pevnosti, tažnosti a vrubové houževnatosti po dobu 0h výdrže na dané teplotě. Výsledky zkoušek mechanických vlastností a porovnání stavů po tepelném zpracování 750 C/20h (označeno jako výchozí stav) a po tepelném zpracování a následném dlouhodobém žíhání je uvedeno na následujících obrázcích (obr. 7, 8, 9, 10).
Výchozí stav Žíháno 700 C/2 000h Výchozí stav Žíháno Rp02 [MPa] 800 700 600 500 400 Obr. 7. Porovnání meze kluzu po TZ a po žíhání Fig. 7. Comparison of TYS after heat treatment and after annealing Rm[MPa] 800 700 600 500 400 Obr. 8. Porovnání pevnosti po TZ a po žíhání Fig. 8. Comparison of UTS after heat treatment and after annealing Tažnost A5 [%] Výchozí stav Žíháno 30 25 20 15 10 5 0 Vrubová houževnatost KCU [J/cm2] Výchozí stav Žíháno 40 30 20 10 0 Obr. 9. Porovnání tažnosti po TZ a po žíhání Fig. 7. Comparison of elongation after heat treatment and after anneling Obr. 10. Porovnání vrubové houževnatosti po TZ a po žíhání Fig. 8. Comparison of impact value after heat treatment and after annealing Výsledné porovnání hodnot mechanických zkoušek potvrzuje skutečnost zjištěnou měřením tvrdosti a strukturní analýzou. U stavu po dlouhodobém žíhání došlo v důsledku vytvrzení ke zvýšení jak meze kluzu, tak pevnosti. Toto zvýšení pevnosti však vede k výraznému snížení tažnosti i vrubové houževnatosti dané slitiny. U vrubové houževnatosti klesly hodnoty po žíhání 0h až o polovinu proti stavu po tepelném zpracování. 5. VLIV OBSAHU HLINÍKU NA VLASTNOSTI SLITINY Dle práce [3] jsou mechanické vlastnosti ocelí precipitačně vytvrzených fází γ závislé, kromě jiných faktorů, také na hmotnostním množství hliníku ve slitině. Legování slitiny hliníkem může přinést zlepšení jejích užitných vlastností, přičemž cena slitiny se nezvýší. S vyšším obsahem hliníku vzrůstá objemový podíl fáze γ. Velikost a distribuci precipitátů je možno kontrolovat řízením režimu tepelného zpracování. S rostoucí teplotou rozpouštěcího žíhání můžeme očekávat homogenní vyloučení jemnějšího precipitátu, což vede ke zlepšení mechanických vlastností. Zvyšováním obsahu hliníku však může dojít ke vzniku nežádoucích intermetalických fází ve struktuře oceli, což v konečném důsledku vede ke zhoršení mechanických vlastností. Pro slitinu LVN13 bylo zjištěno, že při koncentraci 3,9 % hm. dochází při teplotách nad 700 C k intenzivnímu vylučování σ-fáze a při teplotách kolem 1000 C Lavesovy fáze. Precipitace σ-fáze se projevuje v charakteristické destičkovité morfologii. Na základě námi provedených zkoušek jsme zjistili, že i teplota 700 C je pro strukturní
stabilitu oceli příliš vysoká a při dlouhodobé výdrži na této teplotě dochází od 1000h k postupnému vylučování nežádoucí σ-fáze a po době žíhání 5000h je velmi výrazné. Byla provedena kontrola chemického složení zkoumané slitiny s využitím analyzátoru EDS a bylo zjištěno, že obsah hliníku zkoumané slitiny je na hraniční hodnotě 3,9 % hm. 6. ZÁVĚR Byl sledován dlouhodobý vliv teploty 700 C na strukturní stabilitu a degradaci mechanických vlastností slitiny LVN13. Výsledky provedených šetření ukázaly: při dlouhodobém žíhání za teploty 700 C dochází k trvalému zvyšování tvrdosti. Jak potvrzuje metalografická analýza, do doby 500h žíhání lze přisuzovat zvyšování tvrdosti dodatečnému vytvrzování slitiny. Avšak od doby 1000h žíhání dochází k vylučování intermetalické σ-fáze. Po 5000h je vylučování pozorované fáze ve struktuře slitiny velmi intenzivní. kontrolou chemického složení bylo zjištěno, že obsah hliníku je na hraniční hodnotě 3,9 %hm. Takovýto obsah hliníku vytváří předpoklad pro vznik intermetalických fází ve struktuře oceli. výsledky mechanických zkoušek odpovídají skutečnosti zjištěné měřením tvrdosti a strukturní analýzou. Po dlouhodobém žíhání došlo v důsledku vytvrzení ke zvýšení jak meze kluzu, tak pevnosti. Toto zvýšení pevnosti však vede k výraznému snížení tažnosti i vrubové houževnatosti dané slitiny. U vrubové houževnatosti klesly hodnoty po žíhání 0h až o polovinu proti stavu po tepelném zpracování. V případě uvažované náhrady dosud používaných niklových slitin levnějším materiálem tj. slitinou LVN13 je nutné na základě dosud získaných výsledků jednak realizovat žíhání při 650 C slitiny se stejným obsahem hliníku a jednak ověřit další varianty s nižším hm.%al. PODĚKOVÁNÍ Prezentované výsledky studia žárupevné slitiny LVN13 byly získány v rámci řešení projektu programu Tandem, dotovaných z prostředků MPO ČR. LITERATURA [1] Podhorná, B., Kudrman, J., Zýka, J., Hlous, J., Výzkum a vývoj mechanických vlastností materiálů použitých pro nové typy turbodmychadel, spojený s vývojem nové progresivnější technologie přesného lití těchto částí. Zpráva UJP č. 1316, Praha 8 [2] Kudrman J., Strukturní stabilita žárupevných ocelí a slitin. Doktorská disertační práce. Praha 1992 [3] Hrbáček K., Optimalizace užitných vlastností vybraných žárupevných slitin. Doktorská disertační práce. Brno 1989