ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 1, с. 3-13
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.1 '24 '26:539.25
ВЛИЯНИЕ ФАКТОРА ЧИСЛА ЭЛЕКТРОННЫХ ВАКАНСИЙ НА КИНЕТИКУ ОБРАЗОВАНИЯ, РОСТА И РАСТВОРЕНИЯ ФАЗ ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЫДЕРЖКАХ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА 0.45C-26Cr-33Ni-2Si-2Nb
© 2014 г. А. И. Рудской*, Г. П. Анастасиади*, С. Ю. Кондратьев*, А. С. Орыщенко**, М. Д. Фукс**
*Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 **ФГУП "ЦНИИКМ "Прометей", 191015Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49 e-mail: z1dehy97@mail.wplus.net Поступила в редакцию 14.09.2012 г.; в окончательном варианте — 19.03.2013 г.
На основании расчетно-теоретического анализа экспериментальных результатов исследования изменения структуры и фазового состава литого жаропрочного сплава 0.45C—26Cr—33Ni—2Si—2Nb при температуре 1150°С в интервале времени выдержки до 100 ч объяснен механизм протекающих в нем фазовых превращений. Показано, что фактором, определяющим направленность процесса трансформации структуры (образование, рост и растворение фаз) в сплавах на Fe—Cr—Ni основе при длительных высокотемпературных выдержках, является число электронных вакансий отдельных химических элементов и образуемых ими фаз. При этом кинетически процесс лимитируется диффузией элемента замещения с наибольшим отношением его концентрации в новой фазе и в матрице (Сф/С0).
Ключевые слова: жаропрочные сплавы, структурная стабильность, фазовый состав, механизм и кинетика фазовых превращений, число электронных вакансий.
DOI: 10.7868/S0015323013100100
1. ВВЕДЕНИЕ
Жаропрочные жаростойкие сплавы на железо-хром-никелевой основе предназначены для эксплуатации в сложных условиях, когда отношение рабочей температуры к их температуре солидус достигает значения Траб/Тсол = 0.85 или Траб = = 1100—1200°С. Сплавы, кроме основных химических компонентов, содержат в составе дополнительно, в % (мас.): до 1% углерода, до 2% кремния и ниобия, до 10% молибдена и вольфрама, а также титан и другие элементы. Экспериментальное исследование диаграмм состояния таких многокомпонентных систем проводится с применением исходных материалов высокой чистоты методом переплава в контролируемой атмосфере и последующих гомогенизационных отжигов при разных температурах длительностью 1000 и более ч [1]. Установлено, что структура многокомпонентных сплавов на Ре-Сг—№-основе характеризуется наличием большого количества различных фаз, которые образуют легирующие элементы в различных сочетаниях. Особенностью жаростойких сплавов этого типа является отсутствие ос-
новного элемента — растворителя, который определяет степень разбавления твердого раствора, как это происходит в сталях (растворитель — железо) или никелевых сплавах (никель).
Жаропрочные жаростойкие сплавы содержат в своем составе железо, хром и никель в количестве 25—40% (мас.) каждого, что в сумме составляет 85—95% (мас.). Количество типов интерметал-лидных фаз, образующихся в этих сплавах, достигает 10, включая у', у", а, п, X, О, фазы Лавеса и др. [2—6]. При этом разные фазы существуют не только в определенных концентрационных и температурных интервалах, но и в определенном интервале времени. Фазы, образующиеся в сплавах в исходном литом состоянии, в процессе последующей выдержки длительностью до 10000 ч при температурах 400—900°С растворяются с образованием и ростом новых, которые затем тоже растворяются. Это относится и к карбидам — при длительной высокотемпературной выдержке карбиды с высокой концентрацией углерода (Ме7С3) переходят в карбиды с низкой концентрацией углерода (Ме23С6). Уровень термодинамического
Таблица 1. Фактический химический состав исследованного сплава 0.45C—26Cr—33Ni—2Si—2Nb
Материал
Содержание элементов, мас. %
C Si Mn Cr Ni Nb W Mo Ti N Fe
0.48 1.86 0.91 24.6 35.3 1.72 0.57 0.23 0.14 0.05 Ост.
0.45C—26Cr—33Ni—2Si—2Nb
описания диаграмм состояния многокомпонентных сплавов в настоящее время не позволяет установить возможность появления новых фаз или исчезновения существующих в условиях эксплуатации сплавов при высоких температурах и выдержках длительностью 10000 и более ч.
Таким образом, структура жаропрочных жаростойких сплавов является термодинамически неравновесной и неустойчивой при температурах эксплуатации Траб = 1100—1200°С, при этом в сплавах непрерывно происходят структурные превращения в адаптирующемся режиме с образованием и растворением промежуточных фаз. Это связано с неравновесным термодинамическим состоянием сплавов после первичной кристаллизации и с практической невозможностью достижения равновесия в пределах реальной продолжительности эксплуатации.
Для анализа процесса трансформации структуры и фазового состава сплавов необходимо получить экспериментальные данные по кинетике образования в них фаз; обосновать механизм образования зародышей, способных к росту, и оценить его кинетику, исходя из общепринятых допущений, не противоречащих экспериментальным данным и практике применения этих материалов. Одновременно целесообразно установить экспериментально переход промежуточных фаз в стадию растворения. При этом следует учесть, что по классификации С.Б. Масленкова [6] изменения структуры таких сплавов могут происходить в различных термических режимах: анатермическом — при нагреве с непрерывно повышающейся температурой; изотермическом — при постоянной температуре; кататермическом — при непрерывно снижающейся температуре. Эти изменения определяются химическим составом сплава; методом его получения (степенью неравновесности исходной структуры); температурой и временем выдержки, которые задаются условиями эксплуатации.
Концепция анализа структурного состояния на основе расчетной оценки изменения числа электронных вакансий в образующихся фазах применяется при разработке и исследовании жаропрочных сплавов, начиная с 70-х годов ХХ века. Для этого были разработаны программные методы расчета числа вакансий для различного набора фаз (программы ФАКОМП - PHACOMP, NEW PHACOMP и др.) [6-8]. Первоначально эти методы применялись для анализа сбалансирован-
ности химического состава сплавов и оценки возможности появления в структуре фаз: а, ц, х, О, Лавеса и др. В настоящее время применение этой концепции расширяется. Использование нового оборудования для микрорентгеноспектрального анализа позволяет в одном эксперименте установить действительный состав и его изменение при образовании в структуре сплава промежуточных фаз переменного состава в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации, включая интерметаллидные фазы и карбиды, являющиеся фазами внедрения углерода с условной формулой (СгРе№)тСи. Такой подход дает возможность установить моменты времени начала образования, роста и растворения фаз в процессе длительной высокотемпературной выдержки сплавов и связать механизм и кинетику процесса фазовых превращений с числом электронных вакансий в фазах.
Цель данной работы — установить инструментальным методом химический состав первичных фаз в жаропрочном жаростойком сплаве 0.45С— 26Сг—33№—281—2МЪ; определить моменты начала неустойчивости исходной литой структуры, возникновения и существования новых промежуточных фаз; сформулировать положения вероятного механизма их образования и провести количественную оценку кинетики и действующих факторов роста применительно к реальным условиям эксплуатации.
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материал исследования — жаропрочный жаростойкий сплав 0.45С-26Сг-33№-281-2№>, применяемый для изготовления деталей установок высокотемпературного синтеза. Фактический химический состав исследованного сплава приведен в табл. 1.
Из литых заготовок для структурных исследований изготавливали образцы размером 10 х 10 х х 15 (мм), которые подвергали высокотемпературной термической обработке. Нагрев и выдержку образцов осуществляли в электрической печи с точностью измерения температуры образца: ±2°С. Образцы выдерживали при 1150°С длительностью 2, 10, 20, 50 или 100 ч с последующим охлаждением с печью или в воде.
Исследование микроструктуры сплава выполняли на оптическом металлографическом микро-
Рис. 1. Структура сплава в литом состоянии: матричный твердый раствор — у-фаза (основа); карбиды Ме7Сз в эвтектике (спектры 7, 8) и №>С (спектры 5, 6); нитриды Т1Ы (спектры 3, 4, 9).
Рис. 2. Структура сплава после термической обработки 1150°С, 50 ч: матричный твердый раствор — у-фаза (основа, спектр 2); карбиды Ме23С6 в эвтектике (спектр 4) и №>С (спектр 1); нитриды "ПЫ (спектр 3); у'-фаза — Сг7№581зЫзРе№> (спектры 5, 6).
скопе Carl Zeiss Axiovert 40 при увеличениях х50-1000 с применением программы автоматического количественного анализа изображений согласно ASTM Е 1245-03. Микрорентгеноспекгральный анализ распределения элементов в матрице и состава фаз проводили на установке Tescan VEGA 5136 LM с точностью определения концентрации (в относительных процентах): для Fe, Ni, Cr, Si, Nb, Mo, W, Ti - 3% отн.; для С, N - 20% отн. Для выявления структуры сплава применяли электролитическое травление в 10%-ной щавелевой кислоте. Изготовление и подготовку шлифов выполняли на оборудовании фирмы "Buehler" согласно стандарту ASTM E 3-95. Структуру сплава исследовали с использованием растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D FEG. Рентгенофа-зовый анализ выполняли на многофункциональном рентгеновском дифрактометре ULTIMA IV фирмы Rigaku Corporation. Съемки осуществляли в фильтрованном СиК"а1-излучении.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Структура сплава в исходном состоянии и после высокотемпературной выдержки. Выполненные авторами экспериментальные исследования, результаты которых подробно изложены в [4, 5], показали, что исходная литая структура сплава имеет сложный характер: состоит из различных по химическому составу, строению и размерам структурных составляющих и фаз и постоянно изменяется в процессе выдержки при 1150°С длительностью 2—100 ч (рис. 1, 2). Исходная структура сплава (рис. 1) состоит из:
— дендритов матричной у-фазы, представляющей собой твердый раствор замещения кремния, ниобия
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.