mechanickÉ vlastnosti a strukturnÍ stabilita niklovÉ...

METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí__________________________________________________________________________________________

1

MECHANICKÉ VLASTNOSTI A STRUKTURNÍ STABILITANIKLOVÉ SLITINY IN 792 – 5A

MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE STABILITY OFPROMISING NIKCKEL ALLOY IN 792 – 5A

Božena Podhornáa

Jiří Kudrmana

Karel Hrbáčekb

aUJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 Praha – Zbraslav, e-mail: [email protected]

bPBS Velká Bíteš a.s. Vlkovská 279, 595 12 Velká Bíteš, e-mail:[email protected]

AbstraktV 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. Tatopráce shrnuje výsledky studia mechanických vlastností a strukturní stability lité niklovéslitiny IN 792-5A. Slitina byla porovnána z hlediska stability mechanických vlastnostís dalšími niklovými superslitinami, používanými za extrémních pracovních podmínek.

AbstractLately 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 asexactly casts or the components of this alloy are made by method of powder metallurgy. Thepaper summerizes all results of investigation in mechanical properties and structure stabilityof cast nickel alloy IN 792-5A . The mechanical properties of the alloy was compared withother nickel superalloys, that are under used extreme conditions.

1. ÚVODSlitina IN 792-5A patří mezi nové žárupevné superslitiny, které se vyznačují velmi

vysokou pevností i za vysokých teplot, dobrou odolností proti vysokoteplotní korozi amechanickému namáhání. Slitina je však špatně tvařitelná a obrobitelná, a proto se používápouze v litém stavu, jako přesně lité odlitky. Konstrukční díly z této slitiny lze také vyrábětmetodou práškové metalurgie.

2. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁLPro ověření mechanických vlastností a odolnosti za vysokých teplot byla zvolena

modifikace slitiny IN 792-5A, která je používána pro výrobu žárových částí turbínyproudového motoru v První brněnské strojírně Velká Bíteš. Jedná se o slitinu, kterou řadímedo skupiny vysoce legovaných slitin a je vytvrzená především intermetalickou fází γ´Ni3(Al,Ti). Objemový podíl vyloučených částic fáze γ´ se pohybuje mezi 45 – 55%.Předepsané chemické složení a výsledky chemické analýzy sledované tavby je uvedenov 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.


2

Tabulka 1. Chemické složení slitiny IN 792-5A v %hm (ppm).

Prvek Předepsanésložení

Analýzasledovanétavby

Prvek Předepsanésložení

Analýzasledovanétavby

C 0,06 – 0,10 0,078 Nb max. 0,50 < 0,10Si max. 0,20 < 0,10 Ni základ 61,10Mn max. 0,15 < 0,10 Pb max. 5,0 ppm 0,3 ppmP max. 0,015 < 0,002 Sb max. 3,0 ppm < 1,0 ppmS max. 0,015 < 0,002 Se max. 5,0 ppm < 2,0 ppmAg max. 5,0 ppm < 0,10 ppm Sn max. 30,0 < 5,0 ppmAl 3,15 – 3,60 3,36 Ta 3,85 – 4,50 4,12As max. 30,0 ppm < 5,0 ppm Te max. 2,0 ppm < 1,0 ppmB 0,010 – 0,020 0,015 Ti 3,75 – 4,20 3,98Bi max. 0,5 ppm < 0,1 ppm Tl max. 0,2 ppm < 0,2 ppmCd max. 0,2 ppm < 0,1 ppm W 3,85 – 4,50 4,10Cr 12,0 – 13,0 12,28 Zn max. 5,0 ppm < 1,0 ppmFe max. 0,50 0,16 Zr 0,010 – 0,050 0,031Ga max. 30,0 ppm < 10,0 ppm Al + Ti 7,20 – 7,70 7,34In max. 0,2 ppm < 0,1 ppmMg max. 30,0 ppm 8,4 ppmMo 1,65 – 2,15 1,81Th max. 10,0 ppm < 1,0

čísloelektronových

vakancíNv

max. 2,38 2,27

Mechanické vlastnosti byly sledovány ve dvou stavech materiálu a to po odlití a potepelném zpracování používaném v PBS Velká Bíteš. Důvodem bylo ověření do jaké míry jeu této vysokolegované slitiny tepelné zpracování nutné, tj. do jaké míry je možno tepelnýmzpracováním ovlivnit výchozí vlastnosti slitiny a změny těchto vlastností běhemdlouhodobého provozu za vysokých teplot. Byly provedeny zkoušky ke stanovení hodnotpevnosti a vrubové houževnatosti.

Pro modelování dějů probíhajících u odlitků při dlouhodobém účinku provozních teplotbyla zvolena teplota 900°C, což je horní hranice vytvrzovací teploty. Při této teplotě bylyv elektrické peci žíhány malé metalografické vzorky (d = 20mm) a polotovary promechanické 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 studovanýchmateriálů vyhodnocena tvrdost, mikrostruktura a mechanické vlastnosti.

3. VLIV TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTISlitina 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 tvořenatuhým roztokem s primárně vyloučenou fází γ´ Ni3(Al,Ti) a hrubými karbidy na hranicíchlicích buněk a jemnými, sekundárně vyloučenými částicemi fáze γ/ (obr. 1).Morfologiemikrostruktura slitiny po tepelném zpracování je téměř totožná se stavem po odlití, pouzedochází k zjemnění vytvrzující fáze (obr. 2).

Nejprve bylo studováno, do jaké míry při zvolené variantě tepelného zpracování můžeteplota a doba vytvrzení ovlivnit konečné vlastnosti slitiny. Pro poslední stupeň tepelnéhozpracování byly zvoleny teploty 830, 845 a 860 °C a odstupňované doby výdrže na teplotě od2 do 32 h. Výsledky měření tvrdosti exponovaných vzorků i strukturní analýza ukázaly, ževliv teploty a doby vytvrzování je velmi malý. Po počátečním malém vytvrzení, způsobenémdodatečnou precipitací drobných částic fáze γ/ se již tvrdost prakticky nemění.


3

Mechanické vlastnosti ve výchozím stavu po odlití a po předepsaném tepelnémzpracování byly zjišťované zkouškami pevnosti v tahu a zkouškami vrubové houževnatosti.Na obr. 3 a 4 jsou porovnány výsledky zkoušek pevnosti v tahu. Z grafů závislostíjednotlivých veličin na teplotě je zřejmé, že pevnostní ani plastické vlastnosti nebylytepelným zpracováním podstatně ovlivněny. Na obr. 5 jsou porovnány závislosti vrubovéhouževnatosti pro oba sledované stavy. Z tohoto porovnání vyplývá, že tepelné zpracovánímírně 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 závislostihodnot tvrdosti na době žíhání vyplývá, že během dlouhé doby dochází jen k mírnémupoklesu tvrdosti. Po 5000 h se stav slitiny stabilizuje natolik, že k dalšímu poklesu tvrdosti jižprakticky nedochází. Mikrostruktura po žíhání vykazuje změny, svědčící o hrubnutí částicfáze γ/ . V době mezi 2000 a 10 000 h žíhání byla pozorována pomalá změna morfologiečástic fáze γ/, které mají ve výchozím stavu výrazně kubickou geometrii. Tvar částic se velmipomalu mění na globulární (obr.6). Mechanické vlastnosti po izotermickém žíhání bylyzjišťovány zkouškami pevnosti v tahu a zkouškami vrubové houževnatosti. Podobně jako utvrdosti vedlo dlouhodobé žíhání ke zhoršení pevnostních vlastností. Toto zhoršení však nenídoprovázeno vzrůstem tažnosti, kde byl rovněž zaznamenán slabý pokles naměřenýchhodnot.Rovněž hodnoty vrubové houževnatosti klesají s dobou výdrže na teplotě.

Dále bylo provedeno porovnání vlastností slitiny v litém a tepelně zpracovaném stavu požíhání 900°C/2000h. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu ukázaly, že sledované pevnostnívlastnosti obou výchozích stavů se dlouhodobým účinkem teploty vyrovnávají. To ukazujeobr. 7, kde jsou vyneseny teplotní závislosti Rm a Rp02, naměřené hodnoty jsou si blízké, ikdyž stav po tepelném zpracování má pevnosti o něco vyšší. Dlouhodobý účinek teplotypříznivě ovlivnil tažnost slitiny v tepelně zpracovaném stavu, kdy naměřené hodnoty jsousrovnatelné nebo i vyšší než u litého stavu (obr.8). Zlepšení plastických vlastností u TZ slitinypotvrzují 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. Bylsledován vliv dlouhodobého žíhání na mechanické vlastnosti.Z provedených prací vyplynulynásledující 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 vodynaměřena nejvyšší tvrdost,

b) největší pokles tvrdosti, spojený s rozpouštěním částic fáze γ/ vyvolalo žíhání přiteplotách 1050 až 1100 °C. Při vyšších teplotách žíhání je tuhý roztok běhemochlazování již natolik nerovnovážný, že ani ochlazení do vody nepotlačíprecipitaci částic γ/,

c) v rozmezí teplot 830 až 860 °C a dobách výdrže 2 –32 h byla sledována kinetikavytvrzování slitiny po rozpouštěcím žíhání 1120 °C/2 h/vzduch. Bylo zjištěno, ževliv vytvrzovacího žíhání na tvrdost HV je velmi malý,


4

d) teplotní závislost meze kluzu a meze pevnosti ukazuje, že slitina si zachovávávysoké pevnostní vlastnosti až do 850 °C. Velmi dobré jsou tyto vlastnosti i přiteplotách 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 dlouhodobéžíhání stírá rozdíly mezi těmito stavy v hodnotách mechanických vlastností a po2000h žíhání jsou hodnoty všech sledovaných vlastností podobné,

h) při dlouhodobé exploataci za vysokých teplot se ukazuje, že tepelné zpracovánínevede k významnému zlepšení užitných vlastností slitiny, je však nutno počítat sezhoršováním pevnostních i plastických vlastností slitiny a při konstrukčníchvýpočtech dílů určených pro práci za vysokých teplot je nutno tuto skutečnostzohlednit.

6. ROZBOR ŽÁRUPEVNOSTI SLITINY IN 792-5A

Mimořádné žárupevné vlastnosti slitiny IN 792-5A ukazuje porovnání základníchmechanických vlastností litých niklových slitin na obr.10. Do tohoto souboru byly vybrány 4slitiny, jejichž vlastnosti byly sledovány, a které jsou užívány pro teplotně nejvíce namáhanékomponenty plynových turbín. Slitina IN 792-5A má nejvyšší pevnost po výchozím tepelnémzpracování a zachovává si ji i během dlouhodobé expozice za vysokých teplot. Todokumentují 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 žárupevnévlastnosti ze sledovaných superslitin.

PODĚKOVÁNÍPrezentované 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 strukturnístabilita litých niklových slitin po dlouhodobém účinku teploty. In. Sborníkz 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


5

Obr.1: Mikrostruktura slitiny IN792-5A poodlití

Obr.2: Mikrostruktura slitiny IN792-5A potepelném zpracování

Obr.3: Porovnání pevnostních vlastností poodlití a po tepelném zpracování

Obr.4: Vliv tepelného zpracování natažnost

Obr.5: Vliv tepelného zpracování navrubovou houževnatost

Obr.6: Mikrostruktura slitiny IN729-5A požíhání 900 °C/10000 h


6

Obr.7: Vliv dlouhodobého žíhání napevnostní vlastnosti slitiny po odlití a potepelném zpracování

Obr.8: Vliv dlouhodobého žíhání natažnost slitiny po odlití a po tepelnémzpracování

Obr.9: Vliv dlouhodobého žíhání na vrubovouhouževnatost slitiny po odlití a po tepelném zpracování

Obr.10: Porovnání mechanickýchvlastností Ni slitin po výchozím tepelnémzpracování

Obr.11: Porovnání mechanickýchvlastností Ni slitin po dlouhodobém žíhání

mechanickÉ vlastnosti a strukturnÍ stabilita niklovÉ...

Documents