Влияние модифицирования однородного расплава на структуру и свойства сплава жс3лс-ви

УДК 669.014.018.44

А. А. Педаш, Э. И. Цивирко

ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ОДНОРОДНОГО РАСПЛАВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВА

ЖС3 ЛС-ВИ

Оценивали эффективность различных способов модифицирования сплава ЖС3ЛС-ВИ после высокотемпературной обработки расплава (ВТОР). В качестве модификаторов были использованы чистый цирконий (0,10-0,20 %, масс.) и алюминат кобальта, как отдельно, так и в комплексе. Установлено, что наилучшее влияние на структурное состояние и механические свойства сплава ЖС3ЛС-ВИ показало комбинированное модифицирование рафинированного расплава.

Известно, что расплав, прошедший ВТОР обладает большей степенью переохлаждения перед кристаллизацией (40-50 °С по сравнению с 7-10 °С при обычной технологии) [1]. Это явление может быть объяснено двумя причинами: большей однородностью расплава перед кристаллизацией и высокой степенью его очистки от неметаллических включений. В то же время остаются невыясненными вопросы по эффективности модифицирования таких однородных расплавов.

В настоящей работе изучали влияние модифицирования предварительно рафинированного расплава на структуру и свойства отливок из сплава ЖС3ЛС-ВИ.

Рассматривали 4 варианта модифицирования двух типов шихты - обычной и прошедшей ВТОР: 1 - без модифицирования; 2 - объемное модифицирование цирконием; 3 - поверхностное модифицирование алюминатом кобальта; 4 - комбинированное модифицирование (одновременно цирконием и алюминатом кобальта).

Сплав ЖС3ЛС-ВИ (литники и первичный брак отливок) после предварительной очистки проходили ВТОР на установке ВИП-10 по следующей технологии: после нагрева расплава до температуры 1600 ± 20 °С и при остаточном давлении 0,66-1,33 Па в рабочее пространство печи вводили аргон марки А до давления 1-104 Па, нагревали расплав до температуры 1800 ± 20 °С и выдерживали при этой температуре 10 мин. Затем понижали температуру металла до 1600 ± 20 °С и заливали в металлическую форму для получения заготовки 0 60 мм и весом ~10 кГ, от верхней части которой отрезали металл с усадочной раковиной весом 2-2,2 кГ.

На установке УППФ-3М шихту весом ~ 8 кГ расплавляли в основном тигле, расплав нагревали до температуры 1580±10 °С и за 1,5-2 мин. до слива его присаживали через загрузочное устройство, завернутый в алюминиевую фольгу, чистый металлический цирконий (0,10-0,15 %) на зеркало метал© А. А. Педаш, Э. И. Цивирко, 2008

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№

ла. При остаточном давлении в печи 0,665 Па и температуре расплава 1550 °С заливали электрокорундовые керамические формы, полученные по выплавляемым моделям и нагретые до 950 ± 10 °С. Характерной особенностью половины форм являлось наличие в первом слое алюмината кобальта.

От металла всех вариантов были подготовлены образцы для проведения химического и газового анализов, изучения макро- и микроструктуры, определения механических свойств при комнатной температуре и длительной прочности.

Химический состав определяли методами спектрального и химического анализов. Содержание кислорода и азота определяли на газоанализаторе «ОМ 900» фирмы «БЬТКА» методом вакуумплавления. Макроструктуру выявляли методом химического травления в реактиве, состоящем из 80 %НС1 и 20 %^О2. Микроструктуру сплава изучали до и после термообработки (нагрев до температуры 1210±10 °С, выдержка 4 часа, охлаждение - на воздухе) методами качественной и количественной (метод Л и П по ГОСТ 1778-70) металлографии на нетравленых и протравленных электролитически в реактиве Р18 (10 г лимонной кислоты, 10 г сернокислого аммония и 1200 мл. воды) шлифах. Микроструктуру сплава изучали также с помощью растрового электронного микроскопа 18МТ-300 при увеличении х20000. Механические свойства сплава ЖС3ЛС-ВИ при 20 °С определяли на разрывной машине 20М-30 в соответствие с ГОСТ 1497-85, а длительную прочность при 950 °С и напряжении 120 МПа - на машине АИМА-5-2 по ГОСТ 10145-81.

Химический состав сплава ЖС3ЛС-ВИ исследуемых вариантов удовлетворял нормам ОСТ1 90127-85 по основным элементам (табл. 1). Следует отметить, что после ВТОР, в металле всех исследуемых вариантов заметно снизилась концентрация азота (рис. 1). Более существенно снизилось содержание азота в сплаве после комплексного модифицирования (приблизительно в 4 раза). В тоже время, исследуемые технологии не повлияли существенно на содержание кислорода в сплаве (он был на уровне 19-26 ррт) (рис. 1). 2/2008 - 171 -

Таблица 1 - Химический состав сплава ЖС3ЛС-ВИ исследуемых вариантов модифицирования

Шихта Вариант модифицирования Массовая доля элементов, %

С X 10-2 Сг Со Мо А1 Л Бе В X 10-3 гг X 10-3

Обычная Без модифицирования 5,5 16,0 4,61 3,84 4,00 2,50 2,51 0,47 13,0 15,0

Объемное гг 6,4 15,8 4,54 3,77 3,94 2,67 2,48 0,50 16,0 142,0

Поверхностное СОО-А1203 5,5 16,2 4,52 4,03 3,95 2,57 2,61 0,58 13,0 20,0

Комбинированное гг +СОО-А1203 6,4 15,8 4,57 3,80 3,84 2,54 2,40 0,48 16,0 150,0

После ВТОР Без модифицирования 5,3 15,7 4,68 3,78 3,89 2,65 2,43 0,55 19,0 19,0

Объемное гг 6,7 15,7 4,63 3,78 4,07 2,70 2,54 0,52 12,0 132,0

Поверхностное СОО-А1203 5,5 15,6 4,62 3,77 3,74 2,40 2,63 0,56 19,0 23,0

Комбинированное гг +СОО-А1203 6,7 16,0 4,55 3,98 3,98 2,63 2,66 0,48 12,0 137,0

Нормы ОСТ1 90127-85 5,0 12,0 15,0 18,0 4,0 5,0 3,0 4,5 3,0 4,5 2,4 3,0 2,4 3,0 < 2,0 <15 <15

но ом

Вариант модифицирования

Рис. 1. Содержание азота и кислорода в сплаве ЖС3ЛС-ВИ исследуемых вариантов

Исследованием макроструктуры установили, что поверхностное модифицирование приводило к значительному снижению среднего размера макрозерна во всех исследуемых вариантах (табл. 2). Причем, с увеличением толщины отливки его действие становилось более слабым. Существенное измельчение макрозерна было в сплаве после комбинированного модифицирования. В этом случае макрозерна характеризовались равноосной формой, увеличиваясь в размерах по мере продвижения к середине отливки (рис. 2).

Цирконий, имея атомный радиус заметно больше атомного радиуса никеля, в период кристаллизации сплава, оттесняется на границы зерен, улучшая их состояние, а частицы алюмината кобальта с поверхности керамической формы служат дополнительными центрами кристаллизации, что способствует увеличению скорости образования центров кристаллизации. В итоге, наименьшее расстояние между осями дендритов второго порядка имел сплав, в котором было проведено комплексное модифицирование после предварительной ВТОР (табл. 2).

Таблица 2 - Размеры структурных составляющих в сплаве ЖС3 ЛС-ВИ исследуемых вариантов модифицирования

Вариант модифи- Величина макрозерна, мм Расстояние между осями дендритов второго порядка, мкм Карбиды у'-с )аза

Шихта цирования  10мм 0 25мм Индекс, х 10-6 Средний размер, мкм Индекс, х 10-6 Средний размер, мкм

Без модифицирования 1,30 1,99 55 - 70 62,5 297,4 4,25 215,0 0,099

Обычная Объемное гг 1,10 3,05 45 - 50 47,5 323,0 6,25 234,0 0,106

Поверхностное СоО-А12О3 0,51 1,52 55 - 75 65,0 321,2 3,77 212,0 0,085

Комбинированное гг +СоО-А12О3 0,34 1,33 45 - 50 47,5 374,6 5,96 197,0 0,097

Без модифицирования 0,48 2,37 50 - 70 60,0 258,4 5,84 183,0 0,089

После Объемное гг 1,03 2,09 45 - 55 50,0 376,2 7,15 187,0 0,088

ВТОР Поверхностное СоО-А12О3 0,40 1,47 50 - 65 57,5 264,2 5,14 195,0 0,087

Комбинированное гг +СоО-А12О3 0,53 1,60 35 - 45 40,0 457,0 7,44 211,0 0,104

Примечание. Числитель - минимальные и максимальные значения; знаменатель - среднее значение.

Микроструктурный анализ показал, что в структуре сплава ЖС3ЛС-ВИ основными фазами были: у-твердый раствор на основе никеля (матрица сплава), интерметаллидная у'-фаза, карбиды, карбонит-риды, а также избыточная эвтектическая фаза (у-у')-фаза.

Эвтектическая (у-у')-фаза была выявлена в сплаве до термической обработки. Располагалась она в виде небольших включений сферической морфологии преимущественно по границам зерен. После термической обработки она полностью растворялась и переходила в твердый раствор.

Металлографическими исследованиями установили, что в сплаве без модифицирования карбиды располагались преимущественно по границам зерен в виде сетки. Поверхностное модифицирование не повлияло на морфологию и расположение карбидной фазы. ВТОР позволила частично устранить карбидную сетку. Также ее не выявили и после термической обработки в металле всех вариантов. При объемном модифицировании цирконием в структуре сплава выявляли крупные, отдельно расположенные карбиды сферической формы, размеры которых уменьшались после термической обработки.

Распределением карбидов по размерным груп-

пам установили, что ВТОР и комбинированное модифицирование способствовали получению в структуре значительного количества (~30 %) карбидов с размерами 10,1-20,0 мкм, из-за чего наблюдалось и увеличение их среднего размера (табл. 2, 3). При этом следует отметить и существенное увеличение индекса карбидов (табл. 2). Заслуживает внимания и факт наличия в структуре ~60 % карбидов с размерами < 2,5 мкм при заливке в форму с алюминатом кобальта.

В структуре сплава ЖС3 ЛС-ВИ обнаружили нит-ридные и карбонитридные включения. Установили эффективность действия по снижению их количества после ВТОР, а также после поверхностного модифицирования (средний размер карбонитридов при этом снизился в полтора раза) (табл. 3). Наиболее сильно повлияло на снижение их количества комбинированное модифицирование рафинированного металла, когда объемный процент снизился в 10 раз.

Морфология интерметаллидной у'-фазы в сплаве ЖС3ЛС-ВИ после термической обработки была одинаковой и выявлялась в виде частиц сферической формы. При этом в структуре после отдельной ВТОР и объемного модифицирования фиксировали образование блоков из 2-4 частиц. Установили, что

188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008

- 173 -

Рис. 2. Макроструктура ударных образцов из сплава ЖС3ЛС-ВИ после модифицирования, X 4, где

обычная шихта:

а - без модифицирования, б - объемное, в - поверхностное, г - комбинированное

шихта после ВТОР:

д - без модифицирования, ж - объемное, з - поверхностное, к - комбинированное

после ВТОР несколько снижались средний размер и индекс у'-фазы (табл. 2). Некоторому увеличению среднего размера и индекса способствовало объемное модифицирование цирконием. Способствовало некоторому повышению среднего размера и комбинированное модифицирование после ВТОР.

Из всех исследуемых вариантов более высокие показатели прочности при комнатной температуре имел сплав после объемного модифицирования цирконием обоих видов шихты (табл. 4), а также после отдельной ВТОР. Причем, в последнем случае, отмечаются и высокие показатели пластичности и ударной вязкости при заливке в корундовую форму. Высокую ударную

вязкость наблюдали также и после объемного модифицирования цирконием.

Сравнительный анализ результатов испытаний на длительную прочность рассматриваемых вариантов при стандартных условиях (Т = 950 °С, ст = 120 МПа) показал, что более высокую длительную прочность имели образцы после поверхностного модифицирования, а также после объемного модифицирования рафинированного сплава (табл. 4). При этом наблюдали показатели в 2 раза выше требуемых стандартом норм. ВТОР и отдельно модифицирование цирконием не способствовали повышению длительной прочности.

Таблица 3 - Содержание и распределение по размерным группам карбидов и карбонитридов в сплаве ЖСЗ ЛС-ВИ различных вариантов технологии и модифицирования

г4

й

Я

>4

Ьа

а к и а

Ой -

о а

Й

&

1о • о

о о

00

-4 'Л

Кмотоджто шмшияамлй 1на Жш7 ШМЩЯда :||:ипн(|/|| Шмиюжхгюот МШШИЯЯЮШЙ мт 100 мж ЛШИОДДИ т»»фж

ПКЙЖШ (ЦшМ' (5 -имк чгемаИ) ни» ржмюртюж 1 '¡^уиш г^ж, мод 1,0 2,6 5,1 МЫ ЗУ» 5,о но,« ]ИвВ»Ю Л 'АЧМ ч» < 1,0 КЖВ шс (йпшюримм >.ргу»ши 1,0 2,5 7ф 5,0 тоу,, ЖВДЯ 5,1-110,0 имцртш; %, Ша (^¡ГИМШвШ! ркодф иоо^гтщм, м«ж

||СЗ жу<вф:81«1(в|*>)«а11«* 656 100,0 124 19,0 176 'Xl.fi ш ys.fi 78 17..}№ 70 10,« 5898 100,0 730 12,4 2006 34,0 Ш4 30,9 1338 XX,7 5549 2,8

(Хшмшс/г 516 100,« 38 7,0 70 14,0 т 35,0 137, 'Mt.fi «м 18,0 7601 100,0 4682 6i.fi 2858 37,6 61 0,8 •мт 2,0

(Явемдаа

850 мо,о хт ж/м 258 158 1ЗД 120 14,0 84 »0,0 жт 1100,0 ит 19,8 3587 Й8/) 608 11,6 13'/2 1,6

Щщ^щшгароншвдоо Хг 1(|МША 628 то,« 30 154 2.5,0 2М 32,0 Ш 'ж,а Ш) 18,0 9181 100,0 213 х;'> 6536 71Д 2432 рф 3608

^^[мфмшчмршжодш. 442 100,0. 40 9,0 № I9.fi ш 3i.fi ЩИ. 24,0 74 17,0 6201 МММ! 14.» 23,5 жм 343 М32 39,3 №2 2,9 3631 3,4

Хг Э26 100,0 28 84 Ui.fi 130 75.fi 154 жм 130 25,0 1580 im.fi 1155 73,1 243 15,4 182 11,5 1193 6,8

ШкжКИ»

Ькняржши^южк? (МОДА 514 100,0 щ, 18,0 но у: 1,0 108 2t.fi 138 'XZ.fi 64 13,0 8419 100,0 УЗ 10 27,4 4773 56,7 1246 14,5 М 1,1 ХШ К ,7

Ни шип ¡«иг[:к жла МИ) У,г ЮЮ-А!^ 614 100,0 «0 8,0 Ш 17,0 134 XJ.fi 142 23,0 186 30,0 1156 100,0 Ж». 76Д 7.П 18,4 61 5,3 551 2,0

7\ О Л

о

ч

р

<

7ч

щ

0

1 I

[Г

со

4

со (о

5

о ь сг

Таблица 4 - Механические свойства и длительная прочность сплава ЖС3 ЛС-ВИ исследуемых вариантов модифицирования

Шихта Вариант модифицирования ав, МПа а02,МПа 6, % V, % КСи, Дж/см2 900 т40 , ^900 т200 , ч- 950 т120 , ч

Обычная Без модифицирования 822-824 823 609-616 612,5 12,0-13,6 12,8 22,9-23,2 23,0 40,0-43,8 41,9 325 465 180-199 189,5

Объемное гг 852-873 862,5 609-632 620,5 12,0-17,2 14,6 19,3-21,9 20,6 62,5-66,3 64,4 257 ^^ 357 117-147 132

Поверхностное СОО-А1203 756-873 815 583-624 603,5 8,0-12,4 10,2 12,0-15,7 13,8 25,0-31,3 28,1 325 ^^ 508 207-210 208,5

Комбинированное гг +СОО-А1203 923-961 942 654-660 657 18,4-21,2 19,8 15,7-23,9 19,8 46,3-60,0 53,1 257 ^^ 326 119-126 122,5

После ВТОР Без модифицирования 893-898 895,5 634-644 639 15,6-17,2 16,4 26,3-26,3 26,3 48,8-58,8 53,8 329 429 148-185 166,5

Объемное гг 810-852 931 579-601 590 18,0-26,0 22,0 23,9-26,3 25,1 63,8-70,0 66,9 325 ^^ 390 189-214 201,5

Поверхностное СОО-А1203 925-948 937 649-650 649,5 16,0-16,4 16,2 20,8-22,9 21,8 53,8-58,8 56,3 329 392 102-160 131

Комбинированное гг +СОО-А1203 907-922 914,5 662-662 662 14,8-16,0 15,4 19,0-19,0 19,0 42,5-65,0 53,7 325 ^^ 435 154-228 191

Нормы ОСТ1 90126-85 - - - - - - >100

Примечание. Числитель - минимальные и максимальные значения; знаменатель - среднее значение.

Проводили испытание при нестандартных условиях: при температуре 900 °С к образцам прикладывали нагрузку в 40 МПа, выдерживали, а затем увеличивали нагрузку до 200 МПа и доводили до разрушения. При таких условиях испытаний наилучшие показатели наблюдали у варианта в котором предусматривалась заливка в форму с алюминатом кобальта.

Таким образом, по результатам проведенных работ можно сформулировать основные выводы:

1. Исследовали два вида шихтовых заготовок: обычную и после ВТОР. В сплаве, прошедшем ВТОР, наблюдали значительное снижение концентрации азота.

2. Поверхностное модифицирование алюминатом кобальта приводило к значительному снижению размеров макрозерна. Особенно сильно его влияние сказалось при совместном модифицировании с цирконием.

3. Равноосная кристаллизация сплава ЖС3ЛС-ВИ прошедшего ВТОР и комбинированное модифицирование существенно снижает размеры дендритных ячеек и объемное содержание карбонитри-дов, а также вызывает рост размеров карбидов и интерметаллидной у'-фазы. При этом в структуре сплава отсутствует карбидная сетка по границам зерен матричной фазы.

4. Более высокие прочностные свойства при ком -натной температуре (ств, СТ02) среди исследованных технологий показали варианты со ВТОР, а также после объемного модифицирования, а пластические характеристики и ударную вязкость - при модифицировании цирконием рафинированного ВТОР сплава с последующей заливкой в корундовую форму. Более высокую длительную прочность имел сплав после поверхностного модифицирования, как отдельно, так и после ВТОР+гг. Эта тенденция прослеживается как при стандартных, так и нестандартных условиях испытаний. Высокие показатели также наблюдали и после комбинированного модифицирования рафинированного сплава.

5. Использование однородной рафинированной

шихты способствовало повышению эффективности последующего модифицирования, выразившееся в улучшении структурного состояния сплава и повышении механических свойств. В данном случае наиболее оптимальным выглядит вариант, в котором предусматривалось комбинированное модифицирование.

Перечень ссылок

1. Богуслаев В. А., Муравченко Ф.М. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Часть 2. Монография. Изд. 2-е, переработанное и дополненное, г. Запорожье, изд. ОАО «Мо-тор-Сич», 2007 г. - 496 с.

Поступила в редакцию 04.04.2008

Оцiнювали ефективнiсть ргзних cnoco6ie модифiкування сплаву ЖС3ЛС-В11 тсля висо-котемпературно'1 обробки розплаву (ВТОР). У якостi модифiкаторiв було використано чистий цирконш (0,10-0,20 %, мас.) та алюмiнат кобальту, як окремо, так i в комплекс. Встановлено, що найкращий вплив на структурний стан та механiчнi властивостi сплаву ЖС3ЛС-В1 чинило комбтоване модифiкуванння рафтованого розплаву.

Efficiency of the different ways of modification alloy ЖС3ЛС-ВИ after high-temperature processing melt (HTMP), are studied in this art. As modifier were used zirconium (0,10-0,20 %, mas.) and cobalt-aliminium, as apart so and in complex. It is established that best influence on structured condition and mechanical characteristic of the alloy ЖС3ЛС-ВИ has shown multifunction modification refined melt.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008

- 177 -