Характеристики микроструктуры жаропрочных сплавов

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Характеристики микроструктуры жаропрочных сплавов

28.01.2020

Создавая в сплаве те или иные микроструктуры, можно воздействовать на его механические свойства при комнатной, средних и повышенных температурах. Одним из путей изменения микроструктуры служит термическая обработка, которая определяет тип, размер и объемное содержание избыточных фаз.

ТМО, с другой стороны, оказывает воздействие на такие характеристики микроструктуры, как размер, форма и ориентация зерна, дислокационная структура, присутствие смешанных (ожерельчатых) микроструктур, морфология межзеренных границ, локальные различия в микроструктурах.

Влияние указанных микроструктурных характеристик на механические свойства при различных температурах обсуждается в главе 5, здесь же мы сосредоточим внимание на способах получения различных микроструктур.

Получение мелкозернистой структуры с помощью ТМО. Мелкозернистая структура может быть получена в процессе деформации. Наиболее известный пример — разработанный фирмой «Pratt and Whitney Aircraft» процесс Геторайзинг. Он основан на явлении сверхпластичности жаропрочных сплавов, открытом при создании этой фирмой «нейтральной» технологии переработки порошков. Хотя метод применим также к литым и деформируемым сплавам, он не мог устранить неоднородность, присущую этим материалам вследствие ликвации, она сохранялась после штамповки. Поэтому процесс Геторайзинг был применен к компактным заготовкам, полученным методом порошковой металлургии.

Необходимое условие сверхпластичности — мелкое равноосное зерно, устойчивое выше 0,5 Tm — может быть обеспечено в жаропрочных сплавах на основе никеля с большим объемным содержанием у'-фазы. Вторая фаза стабилизирует зерно у-матрицы. Для создания мелкозернистой структуры компактную порошковую заготовку экструдируют при Т, которая не превышает T рекристаллизации, но отличается от нее не более чем на 250 К. При экструзии материал испытывает большую степень деформации, одновременно происходит его адиабатический разогрев до Т, немного превышающей T рекристаллизации, в результате чего формируется мелкозернистая рекристаллизованная структура (рис. 4.1, а), способствующая проявлению сверхпластичности. При этом необходимо, чтобы температура заготовки в процессе экструзии была существенно ниже температуры у'-сольвуса.
Характеристики микроструктуры жаропрочных сплавов

Деформации можно подвергать как предварительно скомпактированную порошковую заготовку (при вытяжке 5), так и порошок; в последнем случае вытяжка составляет обычно 10. Применяют также двойную экструзию с суммарной вытяжкой 16. По-видимому, какие-либо ограничения степени деформации отсутствуют.

Хотя при Геторайзинге рекристаллизация происходит динамически в процессе высокотемпературной деформации, тот же результат (мелкое зерно) может быть достигнут при статической рекристаллизации жаропрочного сплава, подвергнутого деформации при комнатной T и затем нагретого выше точки рекристаллизации. Этому вопросу, однако, посвящено очень мало работ. В рамках европейской программы COST-50 Дален изучал влияние температуры, времени и степени деформации на рекристаллизацию порошкового сплава IN 738 при температурах ниже у'-сольвуса. Присутствие дисперсной второй фазы необходимо для стабилизации размера зерна. В этих исследованиях использовался материал, полученный компактированием порошка сплава IN 738 путем экструзии при 1100 °С. Объемную долю у'-фазы можно изменять в широких пределах за счет выбора соответствующей T старения (рис. 4.2). Движущей силой рекристаллизации служит энергия, запасенная в процессе деформации, в данном случае при комнатной температуре. На рис. 4.3 представлена диаграмма рекристаллизации порошкового сплава IN 738 после отжига в течение 2 ч, которую можно рассматривать как типичную для жаропрочных сплавов на основе никеля. Минимальный размер рекристаллизованного зерна d составлял 1,5 мкм. Максимальный размер 20 мкм достигался после нагрева до 1150 °C сплава, подвергнутого холодной деформации со степенью 30% (температура у'-сольвуса сплава 1 160 °C). Рекристаллизация происходит по механизму многократного зарождения новых зерен и их роста, лимитируемого диффузией растворенных элементов. Кинетика рекристаллизации, также как и размер рекристаллизованного зерна, не зависит от размера частиц у'-фазы, поскольку объемная доля частиц второй фазы, которые встречает на своем пути движущаяся граница, не зависит от их размера.

Известно большое число работ, посвященных сверхпластической деформации порошкового сплава IN 100. Райхман и Смит первыми продемонстрировали сверхпластический характер деформации порошковых заготовок из сплава IN 100 как при растяжении, так и при сжатии в интервале от 927 до 1093 °С. При оптимальных условиях деформирования полученные значения удлинения были весьма велики (>1000%). Максимальная величина показателя чувствительности к скорости деформации составляла 0,5. В результате последующей двустадийной термообработки (первая стадия — растворение у'-фазы для облегчения роста зерна, вторая — старение с выделением у'-фазы) были достигнуты механические свойства, приблизительно эквивалентные свойствам литого сплава. Аналогичные эксперименты выполнены Московитцем и др. На рис. 4.4 в двойном логарифмическом масштабе показана зависимость истинного напряжения от скорости деформации для сплава IN 100 в сверхпластическом состоянии. Хотя прямые, построенные по данным Райхмана и Смита (1,2) и Московитца и др. (3) имеют один и тот же наклон (0,5), абсолютные значения напряжений течения при данной скорости деформации существенно различаются. Это объясняется, по-видимому, различиями в размерах зерна (1—d = 2,1; 2—d = 5; 3—d = 8 мкм) и содержании элементов внедрения.

Последующие работы подтвердили существование сверхпластичности порошкового сплава IN 100, а также позволили получить некоторые данные о влиянии элементов внедрения (кислород и азот) на процесс деформации.

Влияние размера зерна на характер зависимости напряжения течения от скорости деформации в порошковом сплаве IN 100 описывается уравнением:

где а=4,2.

Из-за сложного состава никелевых сплавов механизм их деформации в условиях сверхпластичности окончательно не установлен. Существует, однако, предположение, что этот механизм представляет собой сочетание скольжения по границам зерен и зернограничной ползучести по механизму Кобла.

Сверхпластичность обнаружена также в других порошковых жаропрочных сплавах U 700, IN 713 LC, MAR-M200.

Иммариген и др. показали, что условия сверхпластического течения могут быть получены в порошковых жаропрочных сплавах на никелевой основе типа MAR-M200 и IN 713 LC после горячего изостатического прессования при T ниже у'-сольвуса. Это означает, что предварительная операция экструзии, применяемая при Геторайзинг-процессе, не является абсолютно необходимой для достижения сверхпластичности при штамповке с малыми скоростями деформации. Компактирование методом ГИП при T ниже у'-сольвуса преследует цель сохранения мелкого зерна. ГИП при T выше у'-сольвуса приводит к увеличению размера зерна сплава MAR-M200 с 2—8 мкм (при ГИП ниже у'-сольвуса) до 20—200 мкм. Одновременно напряжение течения возрастает в 3—6 раз по сравнению с мелкозернистым материалом.

Исследования, проведенные на порошковом сплаве IN 713 LC, убедительно доказали, что напряжение течения при сверхпластичности никелевых жаропрочных сплавов не только является функцией e и Т, но зависит также от микроструктуры сплава.

При T горячей деформации исходная микроструктура сплава может оказаться нестабильной, в этом случае вместо нее формируется другая структура, соответствующая установившемуся режиму течения. Основной характеристикой микроструктуры, влияющей на напряжение течения, является размер зерна. Рис. 4.5 демонстрирует переходный характер течения компактных образцов сплава IN 713 LC при 1050 °C и разных скоростях деформации (e1

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: