HODNOCENÍ KVALITY MATERIÁLU PRI SÉRIOVÉ PRODUKCI ODLITKU Z NIKLOVÝCH SLITIN PRO NÁROCNÉ PROVOZNÍ PODMÍNKY MATERIAL QUALITY EVALUATION IN SERIES PRODUCTION OF INVESTMENT CAST PARTS FROM NICKEL BASE ALLOYS FOR HEAVY DUTY SERVICE Ja Hakl a Tomáš Vlasák a Pavel Kovarík b a SVÚM a.s., Areál VÚ Bechovice, 9 Praha 9, CR, <hightempmat@svum.cz> b Walter a.s., Jioická 39, 5 7 Praha 5, CR, <pkovarik@walter.cz> Abstrakt Výroba prese litých odlitku pro provoze árocé provozí podmíky vyžaduje odpovídající kotrolí postupy. Krome proverováí tvaru, rozmeru, povrchové jakosti a vitrí zdravosti odlitku se kvalita kovu dokumetuje chemickým složeím a krátkodobou creepovou zkouškou. Cílem této zkoušky je prokázat, že pevost pri tecei je v prípustých mezích. V príspevku jsou uvedey statisticky zpracovaé výsledky techto testu, charakterizující atestací vlastosti šesti ejcasteji používaých sliti v Ceské republice. Abstract Productio of ear et shape castigs from Ni base alloys for severe high temperature applicatios demads special ispectio procedures. Beside checkig of shape ad dimesios, exteral ad iteral soudess of castigs, the quality of metal is documeted by chemical compositio ad short creep test. The aim of this test is to proof that creep stregth is i acceptable limits. The cotributio deals with statistical evaluatio of creep test results represetig properties of six Ni base alloys most frequetly used i Czech Republic.. ÚVOD Žárové cásti turbodmychadel a plyových turbi jsou behem provozu poškozováy creepem, úavou a vysokoteplotí korozí. Nejcasteji se vyrábí presým litím metodou vytavitelého modelu z Ni vytvrditelých sliti. Vzhledem k vysokým provozím árokum a odlitky je ezbyté zajistit stálost výrobího procesu. Na jeho koci je provádeo hodocei rozmeru, tvaru, povrchové a vitrí jakosti, v ekterých prípadech je posuzováa i struktura. Kvalita materiálu je dokladováa chemickým složeím a obvykle i výsledky mechaických zkoušek. Necastejším testem mechaických vlastostí je v prípade této produkce krátkodobá creepová zkouška, které je veová áš príspevek.. VÝZNAM CREEPOVÉHO TESTU Stežejí charakteristikou pro materiálové rešeí cásti ze žárupevých sliti je pevost pri teceí. Urcuje se pro radu kombiaci teplot a apetí, pricemž pro možost hodoveré extrapolace by doby do lomu ejdelších zkoušek mely byt alespo tretiou predpokládaého života avrhovaé cásti. Proces teceí je stochastické povahy a proto se výsledky experimetu i v prípade jedé tavby pohybuji v jistém rozptylu okolo stredí hodoty. Pri hodocei více taveb se rozptyly adekváte zvetšují.
Pro rychle hodoceí jakosti materiálu a reprodukovatelosti sléváreského procesu se pri zalosti výše uvedeé závislosti doby do lomu a apetí a teplote volí krátká creepová zkouška. Zkušebí teploty a apetí jsou specifikováy tak, aby casy do lomu byly v ízkých desítkách hodi. Smyslem testu je prokázat, že žárupevost materiálu hodoceé tavby je v prípustých mezích. Podmíkou pro uvoleí tavby je dosažeí alespo miimálí doby do lomu, odpovídající rozptylu pri predepsaých zkušebích parametrech (teplota, apetí). V ekterých prípadech se v prejímacích podmíkách pripouští prerušeí testu po dosažeí predepsaé doby. Vetšiou se ale zkouška ukocuje lomem a kriteriem kvality je doba testu. Zpríseím muže být i dokumetováí jistých plastických vlastosti (tažost a kotrakce pri lomu teceím). Creepová zkouška je fiace árocá, a proto se z ekoomických duvodu ekdy pripouští, aby po jistém trvaí testu bylo zvýšeo apetí a tím dosažeo lomu dríve. 3. HODNOCENÉ MATERIÁLY Ke statistickému vyhodocei výsledku atestacích zkoušek byly vybráy slitiy IN 73 LC, IN 73 C, ŽS6K, ŽS6K VI, ŽS6W a LVN-. Jedá se o materiály, které se u ás používají ejcasteji. Slitia ŽS6K (a její modifikace ŽS6K VI a ŽS6W) je typický materiál pro lopatky leteckých plyových turbi. Z ostatích sliti se odlévají jak lopatky, tak i celolité rotory a statory pro turbokompresory i plyové turbiy. Jejich chemické složeí uvádí Tab. I. Zkušebí teploty a apetí, za kterých se provádí atestací zkoušky, jsou uvedey v Tab. II. Ke zpracováí byly použity výsledky zkoušek, provedeých ve zkušebách SVUM a.s. Praha a Walter a.s. Praha v letech 994 až 3. Hodocey byly pouze zkoušky ukoceé lomem. Zkoušky, které se po dosažeí predepsaé doby creepové expozice prerušují, do rozboru ebyly zahruty. Nepodávají totiž kvatitativí iformaci o vlastostech a dokladuji pouze, jestli materiál tavby vyhovuje ci ikoliv. Tabulka. - Chemické složeí hodoceých sliti ((hm. %, Ni- základ) Table. - Chemical compositio of evaluated alloys (wt. %, Ni-base) Prvek IN 73 LC IN 73 C ŽS6K ŽS6K-VI ŽS6W LVN hm.% mi. max. mi. max. mi. max. mi. max. mi. max. mi. max. C,3,7,8,,3,,3,,5,,3,7 Cr, 3,, 4,,5,,,5 9,5,, 3, Mo 3,8 5, 3,8 5, 3,5 4,8 3,5 4,5 3,4 3,9 3,8 5, Co 4, 5,5 4, 5,5 4,7 5,3, W 4,5 5,5 4,5 5,5 5, 5,4 Ti,4,,5,,5 3,,5 3,,5 3,,4, Al 5,5 6,5 5,5 6,5 5, 6, 5, 6, 5, 5,5 5,5 6,5 Fe,5,5,,,35,5 M,5,5,6,6,,5 Si,5,5,6,6,,5 S,5,5,5,5,5 P,5,5,5 Zr,5,5,5,5,,,4,5,5 Ce,5,5,5 B,5,5,5,5,,,,5,5 Cu,5,5,,5 Nb+Ta,5,5,8,8,,5,5
Tabulka. - Zkušebí parametry Table. - Testig parameters Parametry Slitia IN 73 LC IN 73 C ŽS6K ŽS6K VI ŽS6W LVN- Teplota ( C) 87 98 9 975 975 9 Napetí (MPa) 353 57 94 96 96 7 4. METODIKA HODNOCENÍ EXPERIMENTÁLNÍCH DAT Pro zpracováí výsledku mereí bylo použito bežých statistických postupu [,]. Vzhledem k áhodé povaze mereých velici a zkušebí metodice je apriori predpokládáo, že relativí cetost dat ve vztahu k stredí hodote má Gaussovo (ormálí) rozdeleí. Náhodá velicia (v ašem prípade doba do lomu, tažost ebo kotrakce) je pak urcea svou hustotou pravdepodobosti, daou vztahem (x ) f, () x exp kde je f(x) hustota pravdepodobosti áhodé veliciy x s ormálím rozdeleím, s rozptyl, µ stredí hodota. Stredí hodotu pro vetší pocet mereí (>3) je možo odhadout jako výberový prumer podle vztahu x, () x i i kde je x výberový aritmetický prumer, x i hodota i-tého mereí veliciy x, pocet mereí (i=,,,), a rozptyl jako výberový rozptyl podle vztahu s d x x i i i i i i, (3) kde je s výberový rozptyl, x i hodota i-tého mereí veliciy x, pocet mereí (i=,,,), d i odchylka od výberového aritmetického prumer d i x x i. Pro staoveí výskytu pravdepodobosti, že výsledek zkoušky bude ležet ve specifikovaém itervalu, byla využita distribucí fukce podle vztahu x x f x F dx, (4) 3
kde je F(x ) hodota distribucí fukce pro áhodou veliciu x ejvýše rovou x. Pravdepodobost výskytu výsledku v itervalu <x ;x >, kde x <x, je dáa rozdílem hodot distribucí fukce v krajích bodech itervalu: 8 6 4 3 4 5 6 Obr. Doby do lomu IN 73 LC Fig. Times to rupture of IN 73 LC Tažost pri lomu [%] x x, x F x, x F x F x f x 4 8 6 Tažost pri lomu Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu x P dx, (5) x Pri zpracováí experimetálích dat bylo pro staoveí hodot itegrálu ve vztazích (4) a (5) použito umerické itegrace. 5. VÝSLEDKY ATESTACNÍCH ZKOUŠEK Výsledky zkoušek slitiy IN 73 LC, provedeých behem posledích deseti let, jsou graficky zpracováy a Obr. - 4. Na prvím obrázku je zázorea distribuce dob do lomu v závislosti a casovém poradí zkoušek. Již toto jedoduché zpracováí dat mám umožuje vyhodotit stredí hodotu a meze rozptylu. 4 Upozoruje též a jisté kolísáí kvality v Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota prubehu sledovaého období. Zevrubejší Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu iformace podává Obr., kde jsou graficky iterpretováy statisticky vyhodoceé výsledky dob do lomu relativí a kumulovaá cetost, distribucí fukce a hustota pravdepodobosti. Odtud je zrejmý postup urceí pravdepodobosti, s jakou lze ocekávat spleí kritéria životosti. Je-li Hustota pravdepodobosti Hustota pravdepodobosti,5,4,3,,, = 47,34 = 9,8 Pocet dat = 599 Materiál - 73 LC 9 3 4 5 6 7 8 9 Relativí cetost pro itervaly 5 hodi Kumulovaá relativí cetost,5 Obr. Statistické vyhodoceí dob do lomu slitiy IN 73 LC Fig. Statistical evaluatio of time to rupture of IN 73 LC,4,3,4,6,8 = 6,4 =,7 Pocet dat = 599 Materiál - 73 LC,8,6,4, Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí kupr. požadavkem miimálí doba do lomu 9 h, pak pravdepodobost splei této podmíky je P(t r <9) = - F(9) = -,5 =,948. Obdobé je zpracováí i hodot plastických charakteristik. Casové poslouposti,5,8,6,4, Distribucí fukce Distribucí fukce 4 3 4 5 6 Obr. 3 Tažost pri lomu IN 73 LC Fig. 3 Elogatio at rupture of IN 73 LC, 3 5 7 9 3,5 Tažost [%] Relativí cetost pro itervaly % Kumulovaá relativí cetost Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Obr. 4 Statistické vyhodoceí tažosti slitiy IN 73 LC Fig. 4 Statistical evaluatio of elogatio of IN 73 LC 4
výsledku mereí tažosti a kotrakce pri lomu teceím jsou a Obr. 3 a 5, statistické vyhodoceí pak a Obr. 4 a 6. Pokud je požadováa miimálí hodota tažosti 3,5 %, pak pravdepodobost spleí kritéria je P(A<3,5)= - F(3,5)=,975. Pri požadavku miimálí kotrakce 5% je pravdepodobost spleí podmíky P(Z<5)=- F(5)=,747. Kotrakce pri lomu [%] 5 5 Kotrakce pri lomu Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu 3 4 5 6 Obr. 5 Kotrakce pri lomu IN 73 LC Fig. 5 Reductio of area at rupture of IN 73 LC Hustota pravdepodobosti,6,,8,4 3 5 7 9 3 5 Kotrakce [%] Relativí cetost pro itervaly % Kumulovaá relativí cetost = 6,85 = 7,88 Pocet dat = 599 Materiál - 73 LC,53,75,5,5 Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Obr. 6 Statistické vyhodoceí kotrakce slitiy IN 73 LC Fig. 6 Statistical evaluatio of reductio of area of IN 73 LC Stejým zpusobem je a Obr.7- provedeo vyhodocei výsledku atestacích zkoušek slitiy IN 73 C. U sliti ŽS6K, ŽS6K VI, ŽS6W a LVN- jsou kritériem kvality materiálu taveb pouze doby do lomu. Výsledky vyhodoceí výsledku jsou pro tyto materiály graficky zázorey a Obr.3-. Veškerá data, použitá v rámci této práce ke statistickému zpracováí, lze alézt v [3,4]. Distribucí fukce 8 6 4 Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Hustota pravdepodobosti,5,4,3,, = 37,9 = 8,6 Pocet dat = 7 Materiál - 73 C,8,6,4, Distribucí fukce 5 5 Obr. 7 Doby do lomu IN 73 C Fig. 7 Times to rupture of IN 73 C 3 4 5 6 7 8 Relativí cetost pro iterval 5 hodi Kumulovaá relativí cetost Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Obr. 8 Statistické vyhodoceí dob do lomu slitiy IN 73 C Fig. 8 Statistical evaluatio of time to rupture of IN 73 C 73 C 5
Tažost pri lomu [%] 8 6 4 8 6 4 Tažost pri lomu Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Prumer Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu 5 5 Hustota pravdepodobosti,5,,5,,5 4 6 8 4 6 Tažost [h] Relativí cetost pro itervaly % Kumulovaá relativí cetost = 6,8 = 6,4 Pocet dat = 7 Materiál - 73 C,8,6,4, Distribucí fukce Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Obr. 9 Tažost pri lomu IN 73 C Fig. 9 Elogatio at rupture of IN 73 C Obr. Statistické vyhodoceí tažosti slitiy IN 73 C Fig. Statistical evaluatio of elogatio of IN 73 C Kotrakce pri lomu [%] 4 35 3 5 5 5 Kotrakce pri lomu Prumer Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu 5 5 Obr. Kotrakce pri lomu IN 73 C Fig. Reductio of area at rupture of IN 73 C Hustota pravdepodobosti,4,,,8,6,4, 5 5 5 3 Kotrakce [%] Relativí cetost pro itervaly % Kumulovaá relativí cetost =,5 = 45,43 Pocet dat = 7 Materiál - 73 C Obr. Statistické vyhodoceí kotrakce slitiy IN 73 C Fig. Statistical evaluatio of reductio of area of IN 73 C,8,6,4, Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Distribucí fukce 4 8 6 4 Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu 3 4 5 6 7 Obr. 3 Doby do lomu ŽS6K Fig. 3 Times to rupture of ZHS6K Hustota pravdepodobosti,35,3,5,,5,,5, 4 6 8 4 Relativí cetost pro itervaly 5 hodi Kumulovaá relativí cetost = 56,59 = 73,98 Pocet dat = 7 Materiál - ŽS6K,9,8,7,6,5,4,3,, Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Obr. 4 Statistické vyhodoceí dob do lomu slitiy ŽS6K Fig. 4 Statistical evaluatio of time to rupture of ZHS6K Distribucí fukce 6
8 7 6 5 4 3 Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu 5 5 5 3 35 4 Obr. 5 Doby do lomu ŽS6K VI Fig. 5 Times to rupture of ZHS6K VI Hustota pravdepodobosti,5,4,3,, = 47,78 = 78,6 Pocet dat = 36 Materiál - ŽS6K VI 4 6 8 Relativí cetost pro itervaly 5 hodi Kumulovaá relativí cetost Obr. 6 Statistické vyhodoceí dob do lomu slitiy ŽS6K VI Fig. 6 Statistical evaluatio of time to rupture of ZHS6K VI,8,6,4, Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Distribucí fukce 9 8 7 6 5 4 3 Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu 5 5 5 3 Obr. 7 Doby do lomu ŽS6W Fig. 7 Times to rupture of ZHS6W Hustota pravdepodobosti,7,6,5,4,3,, = 54,7 = 99, Pocet dat = 3 Materiál - ŽS6W 4 6 8 Relativí cetost pro itervaly hodi Kumulovaá relativí cetost Obr. 8 Statistické vyhodoceí dob do lomu slitiy ŽS6W Fig. 8 Statistical evaluatio of time to rupture of ZHS6W,9,8,7,6,5,4,3,, Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Distribucí fukce 7 6 5 4 3 Dolí mez pro 9% pravdepodobost výskytu Stredí hodota Horí mez pro 9% pravdepodobost výskytu 3 4 5 6 7 Hustota pravdepodobosti,8,7,6,5,4,3,, = 4,89 = 96,53 Pocet dat = 77 Materiál - LVN 3 4 5 6 7 8 9 Relativí cetost pro itervaly 5 hodi Kumulovaá relativí cetost,8,6,4, Hustota pravdepodobosti rozdeleí Distribucí fukce rozdeleí Distribucí fukce Obr. 9 Doby do lomu LVN Fig. 9 Times to rupture of LVN Obr. Statistické vyhodoceí dob do lomu slitiy LVN Fig. Statistical evaluatio of time to rupture of LVN 7
6. DISKUSE Shromáždeé iformace podávají pro vybraé slitiy dlouhodobejší pohled a úrove výsledku atestacích creepových testu a jejich rozptyly. Pro jejich využití se abízí rada možostí. Výrobce odlitku má v prvé rade podklady o úrovi vlastostí, které muže slévára garatovat a s jakou pravdepodobostí. Lze jich využit pri zpeté aalýze príci dosahovái príliš ízkých ci evyhovujících vlastostí (zpusobeých kupr. vstupími materiály, odchylkami od techologických postupu, lidským faktorem apod.). Pri výrobím osvojováí ovejších sliti mohou sloužit jako srovávací báze, lze je použít pri optimalizaci techologie atd. Nuto pozameat, že atestací zkouška má pouze smluví výzam. Je doplkem kotrolích operací a dokladuje stálost dodržováí techologie. Nemuže být podkladem pro kostrukcí ávrh už z toho duvodu, že zkušebí parametry se výzame odlišují od podmíek aplikace v reálé kostrukci, kde creepové procesy se realizují odlišými mechaizmy. 7. ZÁVER Krátkodobé creepové testy doplují kotrolí metody prese litých odlitku z Ni žárupevých sliti a jsou soucástí atestu jakosti. Spolu s chemickým složeím dokladují kvalitu kovu a stálost dodržováí sléváreské techologie. V príspevku jsou shruty výsledky statistického vyhodoceí atestacích zkoušek sliti IN 73 LC, IN 73 C, ŽS6K, ŽS6K VI, ŽS6W a LVN-I. LITERATURA [] PECHOC, V.: Vyhodocováí mereí a pocetí metody v chemickém ižeýrství, SNTL, Praha, 98. [] REKTORYS, K. a spol.: Prehled užité matematiky, SNTL, Praha, 98. [3] HAKL, J.-VLASÁK, T.-KOVARÍK, P.: Aplikace pokrocilých materiálu a techologií. Dílcí zpráva 353/3, SVUM, Praha, 3. [4] Protokoly akreditovaé laboratore vlastostí žárupevých materiálu, SVUM, Praha, 99 až 3. Práce byly realizováy díky podpore Miisterstva prumyslu a obchodu v rámci projektu FD K/7. 8