MECHANICKÉ VLASTNOSTI A STRUKTURNÍ STABILITA LITÝCH NIKLOVÝCH SLITIN PO DLOUHODOBÉM ÚČINKU TEPLOTY MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURAL STABILITY OF CAST NICKEL ALLOYS AFTER LONG-TERM INFLUENCE OF TEMPERATURE Božena Podhorná a Jiří Kudrman a Karel Hrbáček 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 mechanických vlastností a strukturní stability perspektivních žárupevných niklových slitin IN 738LC, IN 713LC a IN 792. U všech studovaných slitin bylo realizováno dlouhodobé žíhání při teplotě 900 C. Cílem žíhání bylo posoudit strukturní stabilitu slitin. V práci jsou popsány a na základě změn mikrostruktury a mechanických vlastností vyhodnoceny degradační děje vyvolané dlouhodobým účinkem teploty. In work are summarized studies of mechanical properties and structural stability of perspective refractory nickel alloys IN 738LC, IN 713LC and IN 792. By all studied alloys was realized long-term annealing during temperature 900 C. The purpose of annealing was review structural stability of alloys. In work are described and pursuant to changes of microstructure and mechanical properties evaluated degradation processes caused by longterm influence of temperature. 1. ÚVOD Niklové žárupevné slitiny, díky svým výborným vysokoteplotním vlastnostem, představují skupinu moderních materiálů, které jsou určeny pro pracovní teploty 600 1100 C. Perspektivní jsou zejména lité slitiny, z kterých se metodou přesného lití na vytavitelný model vyrábí nejvíce teplotně a mechanicky namáhané díly výrobních zařízení, jako jsou např. lopatky plynových turbín. Teplota je významný činitel, který vede při dlouhodobém provozu k degradaci materiálových vlastností. Ve výchozím stavu je materiál zpracován do optimálních mechanických vlastností. Při dlouhodobém působení vysokých teplot probíhají v kovu difúzní děje. V průběhu izotermické výdrže tak dochází k postupným změnám výchozí mikrostruktury a degradaci mechanických vlastností. Při dlouhodobém žíhání byly proto v laboratorních podmínkách modelovány degradační děje pro několik 1
vybraných niklových slitin.cílem provedených prací bylo vytvářet soubory údajů o změnách mikrostruktury a mechanických vlastností po dlouhodobém účinku teploty. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Pro studium degradačních dějů byly vybrány slitiny IN 713LC, IN 738LC, IN 792-5A. Chemické složení studovaných slitin je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení studovaných slitin slitina Koncentrace prvků v % hm IN 713LC 0,03-0,07 IN 738LC 0,09-0,13 IN 792.5A 0,06- IN 713LC 0,75 1,25 C Mn P B S Si Cu Fe Mo 0,25 0,20 0,15 0,005 0,007 0,012 0,01-0,02 0,30 0,20 0,35 - Ta W Al Ti Cr Nb Zr Ni - 5,5-6,5 0,4-1,0 11,0-13,0 0,75 1,25 0,05 IN 738LC 1,5-2,0 2,4-2,8 3,2-3,7 3,2-3,7 15,7-16,3 0,6-1,10 0,03 0,08 IN 792.5A 3,85 4,5 3,85 4,50 3,15 3,60 3,75 4,2 12,0 13,0 0,01-0,05 3,8-5,2 1,5-2,0 1,65 2,15 Studované slitiny patří do skupiny vysoce legovaných slitin a jsou vytvrzené především intermetalickou fází γ Ni 3 (Al,Ti).Tato fáze má velmi podobné rozměry krystalické mřížky jako tuhý roztok niklu, mřížkové parametry fází γ a γ se liší asi jen o 0,1%, což usnadňuje tvorbu zárodků fáze γ. Fáze γ výborně splňuje požadavky, které jsou kladeny na sekundární fáze, což jsou tvrdost, tažnost a houževnatost, vztah k matrici, odolnost proti korozi. Významnou vlastností této fáze je její stabilita za vysokých teplot a pevnost částic roste se zvyšující se teplotou. Objemový podíl vyloučených částic fáze γ se pohybuje mezi 45 55%, což předurčuje způsob tepelného zpracování. Slitina IN 713LC se tepelně nezpracovává, což patří mezi její technologické přednosti. Další dvě slitiny IN 738LC a IN 792-5A se zpracovávají dvoustupňově rozpouštěcím a vytvrzovacím žíháním. Pro modelování dějů probíhajících u odlitků při dlouhodobém účinku provozních teplot byla zvolena teplota 900 C, což je horní hranice vytvrzovací teploty. Při této teplotě byly v elektrické peci žíhány malé metalografické vzorky (d = 20mm) a polotovary pro mechanické zkoušky ve tvaru hranolků 15x15x70 mm. Doby výdrže byly stanoveny na 1000, 2
2000, 5000 a 10 000 h. Po uplynutí stanoveného počtu hodin byla u všech studovaných materiálů vyhodnocena tvrdost, mikrostruktura a mechanické vlastnosti. 3. VLIV DLOUHODOBÉHO ŽÍHÁNÍ NA STRUKTURNÍ STABILITU Mikrostrukturu ve výchozím stavu po odlití tvoří u těchto slitin tuhý roztok niklu s primárně vyloučenými karbidy a fází γ na hranicích licích buněk. V tuhém roztoku jsou pak sekundárně vyloučené jemné částice γ převážně ve tvaru krychliček nebo hranolků. V průběhu dlouhodobého žíhání dochází k hrubnutí fáze γ a tím i k poklesu hodnot tvrdosti (obr.1) Slitina IN 713LC nebyla před dlouhodobým žíháním tepelně zpracována. V důsledku toho není vyloučená fáze γ ve výchozím stavu homogenní.(obr.2) Pozorované změny tvrdosti během dlouhodobého žíhání jsou v tomto případě ovlivněny i postupným vyrovnáváním nehomogenit chemického složení. Během dlouhodobého žíhání dochází u všech sledovaných slitin k hrubnutí vytvrzující fáze γ a tím i k poklesu hodnot tvrdosti. Po delších časech žíhání není růst vytvrzující fáze výrazný, dochází spíše ke změně její morfologie z kubické na globulární. (obr.3, 4) Od doby 5000h výdrže na teplotě se hodnoty tvrdosti již prakticky nemění. 4. VLIV DLOUHODOBÉHO ŽÍHÁNÍ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI Mechanické vlastnosti po izotermickém žíhání byly zjišťované zkouškami pevnosti v tahu a zkouškami vrubové houževnatosti. Na obr. 5 je ukázán dlouhodobý vliv teploty na vrubovou houževnatost. Průběh závislosti u slitin IN 738 a IN 792 je prakticky totožný. U slitina IN 713LC nejdříve dochází k vytvrzení, což je zaznamenáno počátečním poklesem naměřených hodnot.tato skutečnost je způsobena tím, že slitina IN 713 LC se používá v tepelně nezpracovaném stavu a na začátku experimentů ještě probíhají strukturní změny vytvrzující fáze γ. Toto zjištění potvrzuje i závislost pevnosti na době žíhání (obr. 6.) Ze studia degradačních dějů se ukazuje, že žíhání při 900 C nejdříve dochází k zhoršení pevnostních vlastností, ale po delších dobách výdrže jsou již změny zanedbatelné a mechanické vlastnosti studovaných slitin jsou stabilní. 5. ZÁVĚRY Pro simulaci degradačních dějů se ukázala teplota 900 C jako dobře zvolená, neboť vyšší teplota by příliš urychlovala degradační děje a byl by velký rozdíl mezi žíhací a provozními teplotami. Slitina IN 713LC se v počátcích žíhání projevuje jako méně stabilní. Příčinou její nižší stability je to, že není tepelně zpracovaná a v prvních hodinách teplotní expozice dochází k homogenizaci vyloučené fáze γ, tedy k jejímu mírnému vytvrzení. Při teplotě 900 C během dlouhodobého žíhání dochází k degradaci mikrostruktury u všech sledovaných žárupevných niklových slitin, především v důsledku hrubnutí částic fáze γ. U slitin IN 738 a IN 792 probíhají degradační děje obdobně, dochází k mírnému zhoršení pevnostních vlastností, ale po době 5000h dojde ke strukturní stabilitě a v průběhu dalšího žíhání již nedochází k žádným významným změnám. Všechny tři materiály se projevují jako strukturně stabilní a zachovávají si pevnostní vlastnosti na požadované úrovni. 3
PODĚKOVÁNÍ Prezentované výsledky studia degradačních dějů studovaných žárupevných slitin byly získány v rámci projektů programů Centra a Konsoricia, dotovaných z prostředků MPO ČR. LITERATURA [1] PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., HRBÁČEK, K. Tepelné zpracování niklových superslitin. In. Sborník z konference Metal2003. Hradec nad Moravicí: Tanger, 2004 [2] Guide to Engineering Materials. Advanced Materials and Processes. 2000, vol. 158, No6, p. 91-102 [3] Veselý,S.: "7708 Steam Turbines", Czechoslovak Heavy Industry", 1989, č.3, str. 6-7. IN 738 IN 792 IN 713LC 450 400 tvrdost HV 350 300 250 200 doba žíhání Obr.1- Závislost tvrdosti na době žíhání Obr.2 IN713LC stav po odlití Obr.3 IN713LC 900 C/2000h Obr.4 IN713LC 900 C/10000h 4
IN 738 IN792 IN713LC IN738 IN792 IN713 KCU [J/cm2] 50 40 30 20 10 0 Doba žíhání [h] Obr. 5 - Dlouhodobý vliv teploty na KCU Rm [MPa] 1200 1000 800 600 400 200 0 Doba žíhání [h] Obr.6- Dlouhodobý vliv teploty na Rm 5