Дефекты в легированных порошках и способы их устранения

Усталостные свойства порошковых жаропрочных сплавов могут сильно ухудшаться из-за наличия дефектов, которые служат центрами зарождения усталостных трещин. Данный раздел посвящен характеристике дефектов, связанных с исходными порошками и возможным способам их устранения. Дефекты, встречающиеся в порошках сплавов, можно разделить на три группы: 1) керамические и металлические включения; 2) пористость; 3) мелкие фракции порошка, содержащие большие количества кислорода.

Происхождение этих дефектов может быть связано с процессами плавления, распыления или с последующими операциями перегрузки и транспортировки порошков. Практика подтверждает существование всех этих источников загрязнений порошка.

Использование керамики для футеровки плавильных тиглей при распылении жаропрочных сплавов аргоном является общепринятым. В этом состоит основная причина появления керамических шлаковых включений или отдельных керамических частиц, главным образом Аl2О3, Сr2О3, SiO2. Разрабатываются системы, основанные на более чистых способах плавки, однако в настоящее время керамические частицы все еще представляют собой основной вид включений в сплавах. Процесс REP, будучи бестигельным, тем не менее не исключает загрязнение порошка включениями других типов, в частности, частицами W, образующимися в результате эрозии нерасходуемого вольфрамового электрода. В процессе транспортировки и перегрузки порошка его частицы приходят в соприкосновение с разнообразными поверхностями (пластмассы, резина, сталь), что приводит к дополнительному загрязнению.

Идеальной была бы такая технология, при которой условия получения порошка, его транспортировки и компактирования полностью исключали возможность проникновения в порошок посторонних веществ. Дальнейшее усовершенствование этих операций будет способствовать снижению степени загрязнения до допустимого уровня, хотя получить порошок или заготовку, полностью свободную от каких бы то ни было загрязнений, очевидно, невозможно.

Крупные частицы порошков, полученных газовым распылением, содержат поры, заполненные Ar. Измерения микроплотности частиц различной крупности показывают, что аргонная пористость образуется в частицах крупнее 100 мкм, тогда как более мелкие частицы являются абсолютно плотными (рис. 2.20). То же самое происходит при вакуумном распылении. В противоположность этому, частицы порошков, полученных центробежным распылением, имеют плотную структуру независимо от их размера, что обусловлено малой степенью перегрева при распылении.

Способы обнаружения дефектов. Обнаружение твердых неметаллических включений в порошках жаропрочных сплавов представляет собой серьезную проблему, требующую специальных методов исследования. Следует иметь в виду, что посторонние примеси не распределены равномерно во всех частицах порошка, а представлены главным образом в виде отдельных твердых частиц, количество которых мало по сравнению с количеством частиц сплава. Типичная концентрация составляет 10в-7 частиц примеси на 1 частицу сплава, или 1 включение на 10 см3 скомпактированного порошка. Очевидно, что столь малые относительные содержания посторонних частиц не могут быть определены при помощи химического анализа или оптической микроскопии.

Для определения количества твердых неметаллических включений в порошках наиболее широко используется метод отмучивания, разработанный фирмами «General Electric Co» и «Nuclear Metals Inc.». При этом методе концентрацию включений повышают до такого уровня, который может быть легко определен оптическими средствами. Принцип метода иллюстрируется рис. 2.21. Известное количество порошка узкого фракционного состава (около 300 г) помещают в вертикальную стеклянную колонну, в нижней части которой установлен пористый экран, способный задерживать порошок. Подавая воду через экран, порошок переводят во взвешенное состояние, при этом устанавливается некоторая равновесная высота подъема частиц, зависящая от их плотности и диаметра. Керамические частицы, будучи более легкими, чем частицы сплава, поднимаются на большую высоту, попадают в сливной патрубок, находящийся в верхней части колонны, и через него в дополнительный сосуд, где улавливаются на фильтре. Их подсчет и анализ проводят с помощью микроскопа. Метод не дает результатов в том случае, если имеющие малую плотность включения покрыты более плотным материалом металлической матрицы.

По типовым требованиям к годному порошку усредненная проба массой 1 кг должна содержать не более 20 посторонних частиц, из них не более 3 размером >400 мкм.

Для удаления грубых частиц порошок крупностью — 60 меш просеивают через сито 150 или даже 325 меш. Хотя это и приводит автоматически к уменьшению размера посторонних частиц, однако одновременно снижается выход годного порошка, поступающего в дальнейшую переработку, а тем самым увеличивается его стоимость.

Браун и др. предложили способ концентрации неметаллических частиц при расплавлении образца. Способ включает следующие операции:

1. Образец исследуемого материала массой около 1500 г помещают в водоохлаждаемый медный тигель (рис. 2.22).

2. Проводят электронно-лучевую гарнисажную плавку образца, при которой частицы оксидов всплывают на поверхность расплава и концентрируются в поверхностной зоне слитка.

Размер оксидных островков на поверхности расплава может служить качественным показателем степени загрязненности порошка неметаллическими включениями.

3. Поверхностную часть слитка (~ 100 г) растворяютским способом, затем полученный раствор фильтруют.

4. Массу выделенных оксидов определяют взвешиванием.

Недавно проведенные исследования технологии выплавки слитков сплава MERL 76, в которых применялась описанная методика, показали, что футеровочные материалы на основе оксида магния в меньшей степени загрязняют металл включениями, чем материалы на основе оксидов алюминия или циркония. Было также установлено, что электрошлаковый переплав (ЭШП) позволяет достичь значительно более низкого содержания оксидов, чем вакуумная индукционная плавка (ВИП) и вакуумный дуговой переплав (ВДП).

Захват газов, главным образом Ar, частицами порошка при распылении или их проникновение в заготовку при горячем изо-статическом прессовании (за счет натекания) приводит к появлению газовой пористости. Количество захваченного Ar определяют, измеряя давление Ar, выделяющегося из образца при его расплавлении в вакууме. Температуру плавления можно понизить до 1200 °С, сплавляя исследуемый материал с золотом (для приготовления ванны, содержащей 60% (мольн.) сплава берут 3 г сплава и 16,7 г золота). Точность метода оценивается величиной ±0,4 р. р. т.

Другой, более распространнный метод определения количества захваченного Ar состоит в том, что компактный материал нагревают до 1204 °C и выдерживают 4 ч. Эта температура достаточно высока для того, чтобы давление Ar в порах превысило предел текучести сплава, что приводит к небольшому уменьшению плотности образца, которое и служит мерой газовой пористости. Обычно считается допустимым снижение плотности не более чем на 0,3%.

Способы устранения дефектов. Для удаления керамических частиц, пустотелых частиц и захваченного Ar был предложен целый ряд достаточно тонких методов различной степени сложности. В этой области пока еще отсутствуют какие-либо стандарты, и информация, которая позволяла бы сравнить достоинства и недостатки различных методов, весьма ограничена. В работе Майлза и Родса описано несколько методик, основанных на разных физических принципах, которые были объединены в систему «электродинамической обработки порошков». Эта система полностью изолирована от внешней среды, имеет собственную циркулирующую защитную атмосферу и позволяет осуществить непрерывный процесс очистки порошка от всех видов инородных твердых частиц. Порошок проходит через четыре последовательно установленных блока, в каждом из которых он подвергается определенному виду обработки:

1. Блок очистки порошка от пылевидных (особо мелких) частиц (рис. 2.23) представляет собой газовый сепаратор, в котором навстречу движущемуся под действием собственного веса потоку порошка подается инертный газ. При этом мельчайшие, сильно окисленные фракции порошка выносятся газовым потоком и улавливаются в циклоне. В дальнейшем они вновь поступают на вакуумную переплавку.

2. В электростатическом сепараторе для отделения неметаллических частиц (рис. 2.24) порошок подается на вращающийся металлический барабан, который непрерывно обдувается ионизированным газом. Частицы металла, быстро обмениваясь зарядом с поверхностью барабана, отделяются от нее и попадают в сборник порошка. В то же время, неметаллические частицы притягиваются к барабану, откуда их механически удаляют в сборник отходов.

3. Электростатический струйный классификатор (рис. 2.25) осуществляет разделение частиц по их баллистическим свойствам. На частицы порошка, подаваемые разреженным потоком через узкую загрузочную щель, воздействует ламинарная струя Ar, перпендикулярная направлению их падения. Смещаясь в горизонтальном направлении, частица падает в тот или другой (в зависимости от диаметра и массы) сборник. Более легкие керамические и полые частицы попадают в один сборник с частицами наиболее тонкой фракции порошка, от которого они могут быть отделены при дальнейшей сепарации.

4. Блок разделения частиц по размерам (рис. 2.26) содержит отдельное сито для каждой из фракций порошка, поступающего из электростатического струйного классификатора. Остающиеся на сите крупные частицы и годная фракция подаются при помощи вибрации соответственно в сборник отходов и контейнер для транспортировки порошка.

Производительность системы электродинамической обработки порошка фирмы «Kelsey-Hayes» при непрерывном режиме работы составляет 45 кг/ч. Практика показывает, что за один цикл обработки уровень загрязнения порошка жаропрочного сплава фракции — 80 меш снижается на 70—90%.

Методы дегазации порошка. Наиболее широко применяемый метод дегазации порошков — горячая статическая дегазация — состоит в нагреве порошка при разрежении 0,1 Па и является составной частью технологии капсулирования перед ГИП. Один из вариантов процесса предусматривает нагрев и дегазацию порошка в процессе его медленного пересыпания по наклонной плоскости при загрузке в капсулу. При другом способе капсулу, заполненную порошком, нагревают в вакууме. Этот последний способ становится неэффективным при дегазации больших масс порошка вследствие малой скорости диффузионного удаления молекул газа из межчастичных объемов.

Электродинамическая дегазация представляет собой один из возможных путей решения этой проблемы (рис. 2.27). Подаваемый через стеклянную воронку порошок падает на поверхность ионизатора газа. При этом захваченный порошком Ar приобретает положительный заряд и ускоряется электрическим полем высокого напряжения по направлению к заземленной сетке, где разряжается и, продолжая двигаться, попадает в вакуумный насос. Газовый ионизатор окружен магнитной ловушкой, исключающей увлечение отдельных ионов газа порошком. Установка дегазации (см. рис. 2.27) содержит контейнер, в который порошок поступает со скоростью 45 кг/ч. После заполнения контейнера систему поворачивают на 180°, и цикл дегазации повторяется. Трех таких циклов оказывается достаточно для полной дегазации и усреднения порошка.