STANOVENÍ CREEPOVÝCH VLASTNOSTÍ ALUMINIDU ŽELEZA SE ZRETELEM NA JEJICH UŽITÍ JAKO KONSTRUKCNÍHO MATERIÁLU DETERMINATION OF CREEP PROPERTIES OF IRON ALUMINIDES FOR THEIR USE AS STRUCTURAL MATERIAL Jan Hakl a Tomáš Vlasák a Petr Kratochvíl b a SVÚM a.s., Areál VÚ Bechovice, 19 11 Praha 9, CR, hightempmat@svum.cz b Universita Karlova, MFF, Ke Karlovu 5, 121 16 Praha 2, CR, pekrat@met.mff.cuni.cz Abstrakt Creep aluminidu železa na bázi Fe 3 Al modifikovaných Cr byl studován v rozmezí teplot 5 a 7 C v podmínkách odpovídajících jejich užití. Zjištoval se vliv aditiv (TiB 2, Ce) a tepelného zpracování. Creepové vlastnosti jsou porovnány s bežnými materiály používanými pri vysokých teplotách. Abstract Creep of iron aluminides based on Fe 3 Al modified by Cr was investigated at temperatures between 5 and 7 C under conditions corresponding to its use. The influence of additives (TiB 2, Ce) and of heat treatment (HT) was observed. The creep properties are compared with common high temperature creep resistant alloys. 1. ÚVOD Intermetalické slitiny jsou tuhé roztoky, ve kterých jsou jednotlivé atomy pod urcitou kritickou teplotou pravidelne usporádány na dlouhou vzdálenost. Duležitou skupinou intermetalik tvorí aluminidy, což jsou slitiny typu NiAl, TiAl, FeAl Fe 3 Al apod. Technicky zajímavé jsou hlavne multikomponentní slitiny, odvozené od techto základních složení. Jejich predností jsou dobré mechanické vlastnosti pri zvýšených a vysokých teplotách, odolnost proti oxidaci a vysokoteplotní korozi v sulfidickém prostredí, relativne nízká merná hmotnost, odolnost proti abrazi a erozi, netecnost proti taveninám skel atd. Díky temto vlastnostem aluminidy rozširují škálu vysokoteplotních materiálu a v nekterých prípadech mohou technicky i cenove úspešne konkurovat vysokolegovaným ocelím a slitinám[1-3]. Cílem príspevku je uvedení nekterých našich nových poznatku o vlivu chemického složení a technologie na creepové chování vybraných aluminidu železa. Kvantitativní údaje o creepových vlastnostech mohou být pro konstruktéra vodítkem pro volbu materiálového rešení a možných aplikacích aluminidu. Práce navazuje na naše predchozí sdelení, presentované na konferencích METAL 22 a 23 [4,5] a v [6] a k hodnocení experimentu je použit stejný fenomenologický prístup jako v [4]. Fyzikální popis studovaných jevu a jejich podstata bude náplní pozdejší práce [7].
2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL, METODIKA A ZPUSOB HODNOCENÍ VÝSLEDKU Chemické složení zkoumaných aluminidu je uvedeno v Tab. I. Slitiny a FA-TiB 2 jsou aluminidy typu Fe 3 Al, modifikované Cr a minoritními prísadami. Jedná se o tvárené slitiny, jejichž technologická historie je obdobná z cistých komponent byl materiál nataven a odlit ve vakuu resp. pod inertní atmosférou Ar. Vzniklý ingot byl tváren za tepla a poslední operací bylo kalení postupem 1 C/olej. Tento stav bude pro naše další popisy znamenat stav základní, na nejž navázalo tepelné zpracování (TZ), které bylo pro obe slitiny shodné, a to 115 C/2h/vzd. Z tvárených a tepelne zpracovaných polotovaru byly obrobeny zkušební tyce s merným prumerem a délkou? 5 x 25 mm, jejichž podélná osa byla rovnobežná se smerem tvárení. Tab.I. Chemické složení zkoumaných materiálu, Fe=základ (at%). Table I Chemical composition of investigated materials, Fe-base (at%). Prvek Slitina FA-TiB 2 C,16,16 Al 28,4 3,2 Cr 2,6 3,9 Ti -,94 B - 1,9 Ce,2 - Mn,2,2 Creepové zkoušky byly provedeny na vzduchu pri stálém zatížení v rozsahu teplot 5-7 C. Teploty v creepových pecích byly mereny Pt-Rh termoclánky a v souladu s CSN 42351 byly v rozmezí neprevyšujícím ±6 C. Creepové testy byly vždy ukonceny lomem a ve všech prípadech byly pomocí rucickových úchylkomeru snímány casové rozvoje plastických deformací (creepové krivky). Pro posouzení creepového chování obou variant chemického složení a TZ budeme materiál v základním stavu považovat za referencní. Tento aluminid byl zkoušen dosti rozsáhle pri teplotách 5 až 9 C a je podrobne popsán v [4,6]. Pri hodnocení nových výsledku bude pri grafických interpretacích tento materiál znázornován tenkými krivkami. K matematickému hodnocení experimentálních dat jsme použili v návaznosti na [4] následující vztahy. Pro vyhodnocení pevnosti pri tecení log R? A? A? P? A? P, (1) m 1 2 LM 3 2 LM kde PLM? T?(log t r? A4), T je teplota [K], R m je mez pevnosti pri tecení [MPa], t r je doba do lomu [h], A 1 - A 4 jsou materiálové konstanty a pro minimální rychlosti tecení 1 1 1 1 log?? C1? C 2? log?? C3? log 6 4 6 T C T C kde e? je minimální rychlost tecení (%/h), R je napetí (MPa), T je teplota (K), C 1 -C 6 jsou materiálové konstanty. 5? sinh? C? R? T?? C? log?? log? sinh? C? R? T? 5, (2)
3. VÝSLEDKY Aluminid po /vzd. byl testován pri teplotách 5, 6 a 7 C. Porovnání pevnosti pri tecení tohoto a referencního materiálu je provedeno na obr.1. Je patrné, že pri TZ prináší jednoznacný nárust dob do lomu. Tento efekt 7 C je významný zejména pri a s rustem teploty se mírne snižuje. Ze strmosti Doba do lomu [h] 5 15 2 25 3 Napetí [MPa] Obr. 1 - Vliv /vzduch na pevnost pri tecení slitiny Fig. 1 - Influence of HT 115 C/2h/air on creep strength of alloy závislosti doba do lomu na napetí a teplote je dále zrejmé, že s rustem teploty se zvyšuje napetová citlivost doby do lomu. I velmi malé zmeny na napetí zpusobují výrazné posuvy v životnosti. Aplikované TZ výrazne mení deformacní chování aluminidu. Z obr.2 je Deformace [%] 9 8 7 6 5 4 3 2 2 3 4 5 6 7 Cas [h] 2MPa 2MPa TZ115 C/2h Obr. 2 - Vliv /vzduch na casový prubeh creepové deformace slitiny pri 7 C a 2 MPa Fig. 2 - Influence of HT 115 C/2h/air on creep curve of alloy at 7 C and 2MPa Minimální rychlost tecení [%/h] 1,1,1 7 C,1 5 15 2 25 3 35 Napetí [MPa] Obr. 3 - Vliv /vzduch na minimální rychlost tecení slitiny Fig. 3 - Influence HT 115 C/2h/air on minimum creep rate of alloy 7 C zrejmé, že tepelných zpracováním se nejen prodlužuje doby do lomu, ale i etapa sekundárního creepu. Deformace pri lomu se pritom významne snižuje. Podrobnejší informaci o príznivém efektu TZ ukazuje Tab. II - Materiálové parametry vztahu (1) a (2) pro slitinu Tab. II - Material parameters of eqs. (1) and (2) for alloy Soubor Regresní model vztah (1) vztah (2) po TZ 115 C/2h A 1 1,4428E+1 9,278E+ A 2-1,1699E-3-6,843E-4 A 3 2,5857E-8 1,2953E-8 A 4 1,7289E+1 1,477E+1 C 1-2,4355E+1-1,717E+2 C 2-6,556E+ -5,644E+1 C 3-5,2198E+ -7,742E+ C 4-1,6586E+1-2,3219E+1 C 5 1,478E+3 1,473E+3 C 6 5,9955E-5 5,431E-12 obr.3, kde je vyhodnocena závislost minimální rychlosti tecení na teplote a napetí. Materiálové parametry ze vztahu (1) a (2) pro popsané soubory dat jsou v Tab.II.
Slitina FA-TiB 2 byla zkoušena na menším souboru vzorku po /vzd a to pouze pri teplote. Porovnání žárupevnosti se slitinou je provedeno na obr.4 obdobne jako v predchozím prípade. Jedním experimentálním výsledkem je zde inforamtivne charakterizován i aluminid FA-TiB 2. Z grafického vyhodnocení je zrejmé, že tepelne Deformace [%] 6 5 4 3 2 FA-TiB2 2 4 6 8 12 14 16 Cas [h] FA-TiB2 Obr. 5 - Vliv TZ na casový prubeh deformace aluminidu pri a MPa Fig.5 - Influence of HT on creep curve of aluminides at and MPa Doba do lomu [h] 4 6 8 12 14 16 18 2 Napetí [MPa] FA-TiB2 FA-TiB2 Obr.4 - Porovnání žárupevnosti slitin a FA-TiB 2 pri Fig. 4 - Comparison of creep strength of alloys and FA-TiB 2 at zpracovaný aluminid FA-TiB 2 vykazuje ze sledovaných variant aluminidu jednoznacne nejvyšší creepovou odolnost a predstavuje perspektivní materiál pro další studium. Zlepšování creepových vlastností, kterých bylo dosaženo zmenou chemického složení a použitím TZ, presvedcive dokládají creepové krivky aluminidu a FA-TiB 2 v základním stavu i po TZ vynesené na obr.5 pro testy pri a MPa. 4. DISKUSE Pro materiálové rešení mechanicky namáhaných cástí nad teplotou asi 45 C má konstruktér k dispozici následující typy žárupevných ocelí nízkolegované typu Cr-Mo, Cr- Mo-V ap., chromové typu 9Cr, 9-12Cr-Mo-V ap. a oceli austenitické. Nad touto oblastí leží slitiny na bázi Ni respektive Co a ješte výše Minimální mez kluzu R p,2 [MPa] 5 45 4 35 3 25 2 15 5 Ocel 15128 Ocel 17117 Ocel 17341 Aluminid (Ce) Aluminid (TiB) 3 35 4 45 5 55 6 Teplota [ C] Obr.6 - Teplotní závislost mezí kluzu studovaných aluminidu a vybraných žárupevných ocelí Fig.6 - Temperature dependence of yield limit of investigated aluminides and some heat resistant steels slitiny na bázi Mo nebo Nb. Tyto oblasti jsou však již mimo náš zájem. Na obr. 6 a 7 je provedeno porovnání teplotních závislostí nekterých užitných vlastností ocelí.6cr-.5mo-.25v (15128), 9Cr-1Mo-.15V (17 117), 17Cr-13Ni-2Mo (17 341) a hodnocených aluminidu. Na obr.6 jsou vyneseny minimální hodnoty mezí R p.2 zarucované príslušnými normami [8-] a namerené hodnoty techto mezí pro aluminidy a FA-TiB 2 [11]. Je patrno, že pokud mez R p.2 je materiálovým parametrem pro výpocet, v teplotní oblasti asi 45 až by diskutované aluminidy byly výhodným materiálem. Na dalším obr.7 jsou vyneseny teplotní závislosti mezí pevností pri tecení za 4 h uvedených ocelí
Mez pevnosti pri tecení R TPt 4 [MPa] 5 45 4 35 3 25 2 15 5 ocel 15 128.6Cr-.5Mo-.25V 45 5 55 6 65 7 Obr.7 - Teplotní závislost meze pevnosti pri tecení studovaných aluminidu a vybraných žárupevných ocelí Fig.7 - Temperature dependence of creep strength of studied aluminides and some heat resistant steels a aluminidu (po /vzd.). Pokud je výpoctovým kritériem mez pevnosti pri tecení, pak je aplikace aluminidu méne výhodná. Je ovšem nutno mít na pameti, že kritéria pro rozhodování o materiálovém rešení obvykle jsou komplexnejší. V návaznosti na mechanizmy provozního poškozování (zejména creep, koroze, únava, prípadne eroze atd.) je obvykle nejcasteji dominantním kriteriem životnost resp. spolehlivost. Duležitou roli pri volbe materiálu však mohou hrát i fyzikální vlastnosti (merná hmotnost, tepelná vodivost apod.), cena, a dále dostupnost a rozsah technologických znalostí o daném materiálu atd. Ruzné príklady aplikací lze nalézt v literature kupr. v [2, 12, 13]. 5. ZÁVER V predložené práci jsou shrnuty výsledky zkoušek aluminidu typu Fe 3 Al+Cr legovaných bud Ce anebo TiB 2. U obou slitin byl prokázán príznivý vliv /vzd. na creepové chování. Dochází jak k zvýšení žárupevnosti, tak i ovlivnení creepových deformacních charakteristik - snížení rychlosti tecení i lomové deformace. Modifikace slitiny TiB 2 je z hlediska creepového chování výhodnejší. LITERATURA ocel 17 341 17Cr-13Ni-2Mo aluminid Ce Teplota [ C] ocel 17 117 9Cr-1Mo-.15V [1] VEDULA, K., in Intermetallic Compounds, eds. J.H.Westbrook and R.L. Fleischer, John Wiley and Sons, New York, 1995, vol.2, p.199-29. [2] DEEVI, S.C., SIKKA, V.K., Nickel and iron aluminides: an overview on properties, processing, and applications, Intermetallics 4 (1996), 357. [3] McKAMEY C.G., DeVAN, J.H., TORTORELLI, P.F., SIKKA, V.K. A review of recent developments in Fe 3 Al-based alloys, J.Mater Res. 6 (1991), No.8, p. 1779-184. [4] HAKL,J., VLASÁK,T., KRATOCHVÍL,P, Nekteré poznatky o žárupevných vlastnostech intermetalické slitiny typu Fe28Al33Cr.2Ce. Sborník. konf. METAL 21,ed. TANGER, Ostrava. (CD ROM), referát c. 79. [5] KRATOCHVÍL,P., HAKL,J., VLASÁK,T., Enhencement of creep resistence of Fe28Al3Cr alloy by thermal treatment. Sborník 12. konf. METAL 23, ed. TANGER, Ostrava. (CD ROM), referát c. 7. [6] KRATOCHVÍL,P., ŠEDIVÁ.I., HAKL,J., VLASÁK,T., Creep behaviour of the intermetallic Fe28-3Al alloy. Kovové Mater. 4 (22), c.2, s. 124-131. [7] KRATOCHVÍL.P., PEŠICKA, J., HAKL,J., VLASÁK,T., HANUS, P., Creep behaviour of intermetallic Fe-28Al-3Cr alloy with Ce addition, J. Alloys and Compounds, 24, v tisku. [8] Ocel Cr-Mo-V, 15 128, CSN 41 5128, 4.12.1984. [9] Ocel Cr-Mo-V, 17 117, CSN 41 7117, 8.12.1986. [] Ocel Cr-Ni-Mo, 17 341, CSN 41 7341, 4.8.1981.
[11] KRATOCHVÍL,P., VODICKOVÁ, V., ŠEDIVÁ.I., Struktura a mechanické vlastnosti aluminidu železa Fe28Al5Cr s prísadami céru a titanboridu. Hutnické listy, LV (2), c.9, s.19-21. [12] JUDKINS, R.R., RAO, U.S., Fossil energy application of intermetallic alloys, Intermetallics 8 (2), 1347-1354. [13] KRATOCHVÍL, P., POSPÍŠIL, D., ROUS, S., FOSTER, Z., ECKSTEIN, J., Lité výrobky ze slitin na basi FeAl, struktura a vlastnosti, Hutnické listy (21) c1-3, s25-29. PODEKOVÁNÍ Rešení predložené práce bylo možné díky financní podpore Grantové agentury Ceské republiky v rámci projektu c. 6/2/687.