MECHANICKÉ VLASTNOSTI A STRUKTURNÍ STABILITA NIKLOVÉ SLITINY IN 792 5A MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE STABILITY OF PROMISING NIKCKEL ALLOY IN 792 5A 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 V poslední době je stále více využívána niklová superslitina IN792-5A, jejíž předností je velmi vysoká pevnost za normálních i vysokých teplot. Slitina se používá pouze v litém stavu, jako přesně lité odlitky, nebo se díly z této slitiny připravují cestou práškové metalurgie. Tato práce shrnuje výsledky studia mechanických vlastností a strukturní stability lité niklové slitiny IN 792-5A. Slitina byla porovnána z hlediska stability mechanických vlastností s dalšími niklovými superslitinami, používanými za extrémních pracovních podmínek. Abstract Lately nickel alloy IN 792-5A is used more and more often, its priority is very high strength at current or high temperatures. The alloy is used only in the casting condition as exactly casts or the components of this alloy are made by method of powder metallurgy. The paper summerizes all results of investigation in mechanical properties and structure stability of cast nickel alloy IN 792-5A. The mechanical properties of the alloy was compared with other nickel superalloys, that are under used extreme conditions. 1. ÚVOD Slitina IN 792-5A patří mezi nové žárupevné superslitiny, které se vyznačují velmi vysokou pevností i za vysokých teplot, dobrou odolností proti vysokoteplotní korozi a mechanickému namáhání. Slitina je však špatně tvařitelná a obrobitelná, a proto se používá pouze v litém stavu, jako přesně lité odlitky. Konstrukční díly z této slitiny lze také vyrábět metodou práškové metalurgie. 2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Pro ověření mechanických vlastností a odolnosti za vysokých teplot byla zvolena modifikace slitiny IN 792-5A, která je používána pro výrobu žárových částí turbíny proudového motoru v První brněnské strojírně Velká Bíteš. Jedná se o slitinu, kterou řadíme do skupiny vysoce legovaných slitin a je vytvrzená především intermetalickou fází γ Ni 3 (Al,Ti). Objemový podíl vyloučených částic fáze γ se pohybuje mezi 45 55%. Předepsané chemické složení a výsledky chemické analýzy sledované tavby je uvedeno v tabulce 1. Pro slitinu je doporučováno několik variant tepelného zpracování: a) dvoustupňové zpracování 1120 C/2 h/vzduch + 845 C/24 h/vzduch, b) třístupňové zpracování 1120 C/2 h/ vzduch + 1080 C/4 h/vzduch + 845 C/2 h/ vzduch, c) třístupňové zpracování 1120 C/2 h/vzduch + 845 C/4 h/vzduch + 760 C/24 h/ vzduch. 1
Tabulka 1. Chemické složení slitiny IN 792-5A v %hm (ppm). Prvek Předepsané složení Analýza sledované tavby Prvek Předepsané složení Analýza sledované tavby C 0,06 0,10 0,078 Nb max. 0,50 < 0,10 Si max. 0,20 < 0,10 Ni základ 61,10 Mn max. 0,15 < 0,10 Pb max. 5,0 ppm 0,3 ppm P max. 0,015 < 0,002 Sb max. 3,0 ppm < 1,0 ppm S max. 0,015 < 0,002 Se max. 5,0 ppm < 2,0 ppm Ag max. 5,0 ppm < 0,10 ppm Sn max. 30,0 < 5,0 ppm Al 3,15 3,60 3,36 Ta 3,85 4,50 4,12 As max. 30,0 ppm < 5,0 ppm Te max. 2,0 ppm < 1,0 ppm B 0,010 0,020 0,015 Ti 3,75 4,20 3,98 Bi max. 0,5 ppm < 0,1 ppm Tl max. 0,2 ppm < 0,2 ppm Cd max. 0,2 ppm < 0,1 ppm W 3,85 4,50 4,10 Cr 12,0 13,0 12,28 Zn max. 5,0 ppm < 1,0 ppm Fe max. 0,50 0,16 Zr 0,010 0,050 0,031 Ga max. 30,0 ppm < 10,0 ppm Al + Ti 7,20 7,70 7,34 In max. 0,2 ppm < 0,1 ppm Mg max. 30,0 ppm 8,4 ppm Mo 1,65 2,15 1,81 Th max. 10,0 ppm < 1,0 číslo elektronových vakancí Nv max. 2,38 2,27 Mechanické vlastnosti byly sledovány ve dvou stavech materiálu a to po odlití a po tepelném zpracování používaném v PBS Velká Bíteš. Důvodem bylo ověření do jaké míry je u této vysokolegované slitiny tepelné zpracování nutné, tj. do jaké míry je možno tepelným zpracováním ovlivnit výchozí vlastnosti slitiny a změny těchto vlastností během dlouhodobého provozu za vysokých teplot. Byly provedeny zkoušky ke stanovení hodnot pevnosti a vrubové houževnatosti. 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 1 000, 2 000, 5 000 a 10 000 h. Po uplynutí stanoveného počtu hodin byla u všech studovaných materiálů vyhodnocena tvrdost, mikrostruktura a mechanické vlastnosti. 3. VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI Slitina IN 792-5A byla sledována ve stavu po odlití a po tepelném zpracování dle varianty b, která je používána v PBS Velká Bíteš. Mikrostruktura slitiny je ve stavu po odlití tvořena tuhým roztokem s primárně vyloučenou fází γ Ni 3 (Al,Ti) a hrubými karbidy na hranicích licích buněk a jemnými, sekundárně vyloučenými částicemi fáze γ / (obr. 1).Morfologie mikrostruktura slitiny po tepelném zpracování je téměř totožná se stavem po odlití, pouze dochází k zjemnění vytvrzující fáze (obr. 2). Nejprve bylo studováno, do jaké míry při zvolené variantě tepelného zpracování může teplota a doba vytvrzení ovlivnit konečné vlastnosti slitiny. Pro poslední stupeň tepelného zpracování byly zvoleny teploty 830, 845 a 860 C a odstupňované doby výdrže na teplotě od 2 do 32 h. Výsledky měření tvrdosti exponovaných vzorků i strukturní analýza ukázaly, že vliv teploty a doby vytvrzování je velmi malý. Po počátečním malém vytvrzení, způsobeném dodatečnou precipitací drobných částic fáze γ / se již tvrdost prakticky nemění. 2
Mechanické vlastnosti ve výchozím stavu po odlití a po předepsaném tepelném zpracování byly zjišťované zkouškami pevnosti v tahu a zkouškami vrubové houževnatosti. Na obr. 3 a 4 jsou porovnány výsledky zkoušek pevnosti v tahu. Z grafů závislostí jednotlivých veličin na teplotě je zřejmé, že pevnostní ani plastické vlastnosti nebyly tepelným zpracováním podstatně ovlivněny. Na obr. 5 jsou porovnány závislosti vrubové houževnatosti pro oba sledované stavy. Z tohoto porovnání vyplývá, že tepelné zpracování mírně zhoršilo vrubovou houževnatost. 4. VLIV DLOUHODOBÉHO ŽÍHÁNÍ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI U slitiny IN 792-5A ve stavu po odlití bylo realizováno dlouhodobé žíhání při teplotě 900 C s cílovou dobou 10000 h. Byla měřena tvrdost a sledována mikrostruktura.ze závislosti hodnot tvrdosti na době žíhání vyplývá, že během dlouhé doby dochází jen k mírnému poklesu tvrdosti. Po 5000 h se stav slitiny stabilizuje natolik, že k dalšímu poklesu tvrdosti již prakticky nedochází. Mikrostruktura po žíhání vykazuje změny, svědčící o hrubnutí částic fáze γ /. V době mezi 2000 a 10 000 h žíhání byla pozorována pomalá změna morfologie částic fáze γ /, které mají ve výchozím stavu výrazně kubickou geometrii. Tvar částic se velmi pomalu mění na globulární (obr.6). Mechanické vlastnosti po izotermickém žíhání byly zjišťovány zkouškami pevnosti v tahu a zkouškami vrubové houževnatosti. Podobně jako u tvrdosti vedlo dlouhodobé žíhání ke zhoršení pevnostních vlastností. Toto zhoršení však není doprovázeno vzrůstem tažnosti, kde byl rovněž zaznamenán slabý pokles naměřených hodnot.rovněž hodnoty vrubové houževnatosti klesají s dobou výdrže na teplotě. Dále bylo provedeno porovnání vlastností slitiny v litém a tepelně zpracovaném stavu po žíhání 900 C/2000h. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu ukázaly, že sledované pevnostní vlastnosti obou výchozích stavů se dlouhodobým účinkem teploty vyrovnávají. To ukazuje obr. 7, kde jsou vyneseny teplotní závislosti Rm a Rp 02, naměřené hodnoty jsou si blízké, i když stav po tepelném zpracování má pevnosti o něco vyšší. Dlouhodobý účinek teploty příznivě ovlivnil tažnost slitiny v tepelně zpracovaném stavu, kdy naměřené hodnoty jsou srovnatelné nebo i vyšší než u litého stavu (obr.8). Zlepšení plastických vlastností u TZ slitiny potvrzují i naměřené hodnoty vrubové houževnatosti (obr.9). 5. SHRNUTÍ DOSAVADNÍCH POZNATKŮ O SLITINĚ IN 792-5A Slitina IN 792-5A byla sledována ve stavu po odlití a po tepelném zpracování. Byl sledován vliv dlouhodobého žíhání na mechanické vlastnosti.z provedených prací vyplynuly následující poznatky: a) metalografický rozbor vlivu teploty krátkodobého žíhání po odlití vedl k poznatku, že slitina nejvíce vytvrzuje při teplotě 850 C, kdy byla po ochlazení do vody naměřena nejvyšší tvrdost, b) největší pokles tvrdosti, spojený s rozpouštěním částic fáze γ / vyvolalo žíhání při teplotách 1050 až 1100 C. Při vyšších teplotách žíhání je tuhý roztok během ochlazování již natolik nerovnovážný, že ani ochlazení do vody nepotlačí precipitaci částic γ /, c) v rozmezí teplot 830 až 860 C a dobách výdrže 2 32 h byla sledována kinetika vytvrzování slitiny po rozpouštěcím žíhání 1120 C/2 h/vzduch. Bylo zjištěno, že vliv vytvrzovacího žíhání na tvrdost HV je velmi malý, 3
d) teplotní závislost meze kluzu a meze pevnosti ukazuje, že slitina si zachovává vysoké pevnostní vlastnosti až do 850 C. Velmi dobré jsou tyto vlastnosti i při teplotách 900 a 950 C, e) s rostoucí teplotou zkoušky pevnosti v tahu se tažnost mírně zvyšovala, f) dlouhodobé žíhání při 900 C ve stavu slitiny po odlití vedlo ke zhoršování všech měřených mechanických vlastností, jmenovitě meze kluzu, meze pevnosti v tahu, tažnosti i vrubové houževnatosti, g) porovnání stavu slitiny po odlití a tepelném zpracování ukázalo, že dlouhodobé žíhání stírá rozdíly mezi těmito stavy v hodnotách mechanických vlastností a po 2000h žíhání jsou hodnoty všech sledovaných vlastností podobné, h) při dlouhodobé exploataci za vysokých teplot se ukazuje, že tepelné zpracování nevede k významnému zlepšení užitných vlastností slitiny, je však nutno počítat se zhoršováním pevnostních i plastických vlastností slitiny a při konstrukčních výpočtech dílů určených pro práci za vysokých teplot je nutno tuto skutečnost zohlednit. 6. ROZBOR ŽÁRUPEVNOSTI SLITINY IN 792-5A Mimořádné žárupevné vlastnosti slitiny IN 792-5A ukazuje porovnání základních mechanických vlastností litých niklových slitin na obr.10. Do tohoto souboru byly vybrány 4 slitiny, jejichž vlastnosti byly sledovány, a které jsou užívány pro teplotně nejvíce namáhané komponenty plynových turbín. Slitina IN 792-5A má nejvyšší pevnost po výchozím tepelném zpracování a zachovává si ji i během dlouhodobé expozice za vysokých teplot. To dokumentují pevnosti zjištěné po žíhání 900 C/5000h (obr.11). Další předností této slitiny je, že plastické vlastnosti, zejména vrubová houževnatost při vysokých teplotách mírně vzrůstá. Z tohoto porovnání vyplývá, že niklová slitina IN 792-5A má nejlepší žárupevné vlastnosti ze sledovaných superslitin. PODĚKOVÁNÍ Prezentované výsledky studia žárupevné slitiny IN 792-5Abyly získány v rámci projektů programů Centra a Konsorcia, dotovaných z prostředků MPO ČR. LITERATURA [1] PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., HRBÁČEK, K. Mechanické vlastnosti a strukturní stabilita litých niklových slitin po dlouhodobém účinku teploty. In. Sborník z konference Metal2005. Hradec nad Moravicí: Tanger, 2005 [2] Guide to Engineering Materials. Advanced Materials and Processes. 2000, vol. 159, 2001,97 [3] Superalloys II. High-Temperature Materials for Aerospace and Industrial Power. Eds.: CH. S. Sims, N. S. Stoloff, W. C. Hagel. John Wiley and Sons. NY 1987, p.321 4
Obr.1: Mikrostruktura slitiny IN792-5A po odlití Obr.2: Mikrostruktura slitiny IN792-5A po tepelném zpracování Obr.3: Porovnání pevnostních vlastností po odlití a po tepelném zpracování Obr.4: Vliv tepelného zpracování na tažnost Obr.5: Vliv tepelného zpracování na vrubovou houževnatost Obr.6: Mikrostruktura slitiny IN729-5A po žíhání 900 C/10000 h 5
Obr.7: Vliv dlouhodobého žíhání na pevnostní vlastnosti slitiny po odlití a po tepelném zpracování Obr.8: Vliv dlouhodobého žíhání na tažnost slitiny po odlití a po tepelném zpracování Obr.9: Vliv dlouhodobého žíhání na vrubovou houževnatost slitiny po odlití a po tepelném zpracování Obr.10: Porovnání mechanických vlastností Ni slitin po výchozím tepelném zpracování Obr.11: Porovnání mechanických vlastností Ni slitin po dlouhodobém žíhání 6