Дослідження формування структури жароміцних нікелевих сплавів з різним співвідношенням ніобію та титану з метою підвищення структурної однорідності.

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

НОНКО Діана Леонтіївна

УДК 669.018.44:669.24

ДОСЛІДЖЕННЯ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ ЖАРОМІЦНИХ НІКЕЛЕВИХ СПЛАВІВ З РІЗНИМ СПІВВІДНОШЕННЯМ НІОБІЮ ТА ТИТАНУ З МЕТОЮ ПІДВИЩЕННЯ СТРУКТУРНОЇ ОДНОРІДНОСТІ

Спеціальність 05.16.01

“Металознавство та термічна обробка металів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

КАЛІНУШКІН Євген Павлович,

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри металознавства.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

СПІРІДОНОВА Ірина Михайлівна,

Дніпропетровський національний університет, м. Дніпропетровськ,

професор кафедри металофізики;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

ГІРІН Олег Борисович,

Український державний хіміко-технологічний університет, м. Дніпропетровськ,

завідувач кафедри матеріалознавства.

Провідна установа:

Державний науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості Державного комітету промислової політики України, м.Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “22” травня 2001 р. о 12³⁰ годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

Автореферат розісланий “21” _квітня_ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Должанський А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У даний час нікелеві сплави по своєму значенню вийшли на одне з перших місць у класі жароміцних матеріалів та знаходять широке застосування у різних галузях техніки у зв'язку з тим, що вдало поєднують підвищену жароміцність, окалиностійкість та технологічність. Сплави даної групи - складнолеговані, тому дуже важливим є вирішення питання їх структурної та хімічної однорідності,порушення якої негативно позначається на службових характеристиках, та може бути причиною передчасного порушення матеріалу.

Актуальність теми. Відомо, що експлуатаційні властивості жароміцних матеріалів визначаються їх складом та рівнем структурної та хімічної однорідності. Але питання, що пов'язані з закономірностями та кінетикою здійснення лікваційних процесів, на сьогоднішній день вивчено не дуже точно. Відсутність певних даних по цій проблемі не дає можливості прогнозувати надійність виробів спеціального призначення, тому що при загальній відповідності складу та структури сплавів вимогам технічної документації, у лікваційних ділянках властивості матеріалів знижуються до неприпустимо малого рівня, що приводить до їх передчасного зруйнування. Тому тема дисертаційної роботи, яка присвячена питанням підвищення структурної та хімічної однорідності складнолегованих жароміцних нікелевих сплавів шляхом цілеспрямованого впливу на механізм та кінетику фазових перетворень під час твердіння, є актуальною як з наукової так і з практичних точок зору.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, що виконувались у рамках: програми 07.02.04. Міністерства науки та технології України “Нові литі та деформовані металеві матеріали з унікальним сполученням міцності, пластичності та спеціальних властивостей”, тема Г121010007, 1997-1999 р.р.: "Розроблення теорії та технології легування та зміцнення деформованих білих чавунів з високими експлуатаційними властивостями та жароміцних сплавів на залізній та нікелевій основі, що використовуються до потреб авіаційної та космічної промисловостей України” (ДР 0197U009647); державного контракту № 6-125/97 від 18.04.1997: “Аналіз структури та термічної стабільності аморфних сплавів та визначення шляхів підвищення їх механічних та експлуатаційних характеристик” згідно з темою: Титан “Матеріалознавство та технології для виробів космічної техніки” (ДР 0197U000887). Автор був виконавцем перелічених робіт.

Мета та задачі дослідження. Мета роботи - підвищення структурної та хімічної однорідності жароміцних складнолегованих нікелевих сплавів на основі отримання нових даних щодо закономірностей структуроутворення та внутрішньокристалічної ліквації, а також визначення оптимальних термокінетичних умов їх твердіння. Для досягнення цієї мети були сформульовані такі задачі:

- розробити методику фіксації процесів, які відбуваються під час твердіння, у жароміцних матеріалах за допомогою вакуумної печі з ємкістю для загартування, що дозволяє проводити експерименти на невеликих наважках матеріалу без змінювання його хімічного складу;

- визначити закономірності структуроутворення та фазових перетворень, встановити напрямки дифузійних потоків легуючих елементів під час твердіння жароміцних сплавів на нікелевій основі;

- визначити вплив термокінетичних параметрів виготовлення жароміцних матеріалів на формування у них хімічної та структурної неоднорідності;

- визначити вплив бору на закономірності структуроутворення нікелевих жароміцних сплавів у інтервалі швидкостей охолодження щільно до 10⁶ К/с та встановити можливість створення порошкових матеріалів підвищеної жароміцності;

- розробити рекомендації щодо зниження лікваційної та структурної неоднорідності сплавів за рахунок оптимізації процесу їх структуроутворення на ступеню металургійного та порошкового виробництва.

Об'єкт дослідження. Жароміцні нікелеві сплави схильні у наслідок своєї складнолегованості до структурної та хімічної неоднорідності.

Предмет дослідження. Процеси структуроутворення та формування хімічної неоднорідності у складнолегованих жароміцних нікелевих сплавах.

Методи дослідження. Для докладного вивчення закономірностей структуроутворення жароміцних нікелевих сплавів та визначення оптимальних термокінетичних умов їх виробництва були використані засоби “стоп-загартування” та понадшвидкої кристалізації сплавів на унікальних приладах, що є у лабораторії; локальний мікрорентгеноспектральний, електронномікроскопічний, металографічний та рентгеноструктурний аналіз, метод вимірювання твердості при високих температурах.

Наукова новизна. У роботі вперше отримано такі дані.

1. Встановлені закономірності багатофазного твердіння жароміцних сплавів на нікелевій основі, які полягають у послідовній кристалізації евтектик на основі карбідних та інтерметалевих фаз.

Сутність закономірностей, які було встановлено, полягає у тому, що карбідні та інтерметалеві фази мають евтектичне походження та послідовно утворюються з залишенної рідини, а не формуються під час термічної обробки у твердому стані, як це припускалося раніше.

2. Встановлено критичні умови переходу від послідовної кристалізації евтектик до формування трійних евтектичних структур, а також екстремальну залежність характеристик ліквації нікелевих сплавів від швидкості охолодження під час твердіння.

На відміну від відомих раніше уявлень, встановлено, що у складнолегованих жароміцних сплавах можливо за рахунок змінювання швидкості охолодження під час твердіння впливати на тип та морфологію евтектичної складової, а також рівень внутрішньокристалічної ліквації.

3. Доведена можливість значного зниження рівня дендритної ліквації за рахунок впливу термокінетичних параметрів твердіння сплавів на послідовність і кінетику фазових перетворень під час формування їх первинної структури.

Новина отриманих знань складає у тому, що визначені термокінетичні умови твердіння жароміцних сплавів на нікелевої основі, що забезпечують зустрічний напрямок дифузійних потоків елементів на стадії евтектичного перетворення. Це дозволило значно знизити рівень дендритної ліквації у сплавах та підвищити їх структурну однорідність.

4. Встановлено закономірності впливу бору на структуроутворення у нікелевих жароміцних сплавах, що було швидко закристалізовано, та доведена принципова можливість їх отримання у аморфному стані.

Суть цього підходу у тому, що вперше методично строго було досліджено фазові перетворення у легованих бором нікелевих жароміцних сплавах та встановлено параметри їх аморфізації.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані у дисертації теоретичні результати дозволили:

- сформулювати способи цілеспрямованого впливу на структурні характеристики широкого класу матеріалів, що включають до себе складно леговані сплави на основі нікелю;

- на підставі встановлених закономірностей впливу термокінетичних параметрів твердіння сплавів оптимізувати умови охолодження нікелевих жароміцних сплавів, що забезпечують зниження рівня дендритної ліквації у 1.5-1.8 рази;

- розробити склади перспективних легованих бором жароміцних матеріалів, що забезпечують отримання вихідних порошків в аморфному стані та достатню технологічність під час компактування відомими способами порошкової металургії.

Регламентація швидкості охолодження жароміцного нікелевого сплаву базового складу, який утримує 53,43% Ni, 18,49% Fe, 5,86 % Nb, 0,96% Ti, 17,62%Cr, 3,01% Mo, 0,46% Al та інш., та пов'язане з цим підвищення його структурної однорідності, дозволило в дослідних умовах знизити відбраковку литих деталей спеціального призначення на 15% по макроструктурі і механічним властивостям. Зазначені рекомендації були враховані під час виробництва деталей ракетних двигунів, які розроблюються у Державному конструкторському бюро "Південне", і у теперішній час проходять виробничі випробування (лист №9/-27 від 19.12.2000 г.)

Особистий внесок здобувача. Автором запропонована ідея модернізації установки для надшвидкісної кристалізації сталей та сплавів з урахуванням особливостей твердіння жароміцних сплавів, що полягає у реконструкції робочого простору печі й оснастки тримача зразка. Проведені дослідження фазових перетворювань під час твердіння жароміцних нікелевих сплавів в умовах квазірівноважної кристалізації. Докладно вивчено вплив термокінетичних параметрів твердіння жароміцних нікелевих сплавів на їх лікваційну неоднорідність та структурні характеристики. Проведено аналіз експериментальних даних по вивченню закономірностей структуроутворення та формування внутрішньокристалічної ліквації у жароміцних нікелевих сплавах. Проаналізовані та узагалі-нені результати проведених досліджень, на підставі яких обґрунтована оптимальна швидкість охолодження під час твердіння жароміцних нікелевих сплавів, легованих Nb, Ti, Cr, Mo, Al та інш., що забезпечує підвищення їх структурної однорідності та зниження рівня дендритної ліквації у 1.5-1.8 рази. У дисертації не використані матеріали, що належать співавторам спільних публікацій.

Особистий внесок здобувача у співавторські роботи ( в порядку, наведеному в списку надрукованих робот): [1-6]-аналіз літератури, планування та розробка схеми експерименту, аналіз результатів металографічних досліджень та мікрорентгеноспектрального аналізу, розробка рекомендацій щодо використання одержаних результатів; формування висновків; [1,4]-проведення досліджень щодо впливу структурних характеристик легованих сталей на характеристики їх теплостійкості; [2,3] - встановлення закономірностей багатофазного твердіння та формування лікваційної неоднорідності у жароміцних сплавах; реконструкція робочого простору приладу для надшвидкісної кристалізації сталей та сплавів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались та обговорювались на:

Міжнародній конференції “Евтектика IV”, Україна, Дніпропетровськ, НМетАУ, 24-26 червня 1997 р.

Третій міжнародній науково-практичної конференції “Наука і освіта'2000 ”, Україна, Черкаси, ЧІТІ, 01-15 лютого 2000 р.

Четвертій міжнародній науково-практичної конференції “Наука і освіта '2001”, Укріїни, Черкаси, ЧІТІ, 15січня-01лютого 2001 р.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано у 4 статтях у фахових наукових журналах. Додатково наукові результати роботи відображено у 2 збірниках і тезах наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів та висновків. Загальний обсяг дисертації: 126 сторинок тексту, 43 рисунка, 1 таблиця, 1 додаток. Список літературних джерел складається з 81 найменування.

жароміцний сплав структура

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

На даний час опубліковано велика кількість робіт щодо питань пов'язаних з розробкою та використанням жароміцних легованих нікелем сплавів. У більшості випадків це сплави Ni-Cr-Ti, що утримують у різних кількостях алюміній та інші легуючі елементи, з підвищеною межею тривалої міцності та повзучості при температурі 800⁰С та вище. В останніх роботах по структуроутворенню відзначається факт складної будови евтектики у високолегованих жароміцних сплавах, яка може базуватися на МС-карбідах та багатій на ніобій фазі Лавеса, але морфологія та закономірності в умовах утворення цих фаз залишаються практично не вивченими. Разом з тим відзначається великий вплив їх будови та розміщення на властивості матеріалів. Головною причиною падіння механічних властивостей у сплавах даної групи є формування зональної та дендритної ліквації в первинних зливках. Але у сучасній літературі практично відсутні дані або результати експериментальних досліджень дифузійного перерозподілу компонентів у процесі твердіння сплавів, що лежать в основі утворення хімічної неоднорідності зливків.

Зараз все частіше для виробництва сплавів цієї групи крім традиційного металургійного використовують порошковий засіб переробу, що дозволяє забезпечити більш високі показники якості, а також зменшити собівартість готових виробів. Разом з тим ще не достатньо добре вивчено закономірності фазових перетворень під час швидкої кристалізації жароміцних сплавів, не установлена кореляція між морфологією структурних складових та швидкістю охолодження.

Таким чином, являє значний інтерес детальне вивчення закономірностей формування ліквації та структуроутворення під час традиційного металургійного та порошкового засобів виробництва жароміцних сплавів на нікелевій основі для визначення термокінетичних умов їх виплавки та твердіння.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

В роботі вивчено жароміцні нікелеві сплави, хімічний склад яких наведено у таблиці 1. Зразки для подальших досліджень було отримано засобом вакуумного переплаву чистих компонентів з подальшим переплавом в індукційнії печі в захисній атмосфері. Сплави розливались в алундові тиглі ємністю 0,5 кг та піддавались після твердіння гомогенізуючому відпалу при температурах на 30-40⁰С нижче температури солідус протягом 20 годин. Для проведення досліджень засобом мікрозагартування зразки сплавів вагою 100 г, що були відібрані з центральної зони зливків, плавились в індукційнії печі та затягувались у кварцовий капіляр dвн=5мм. Отримані металеві стовпчики вибірково контролювались на хімічний склад та мікроструктуру, після чого розрізались на таблетки товщиною 3мм, які служили зразками для подальших досліджень.

Основу експериментальної бази для проведення мікрозагартованих досліджень методом “стоп-загартування” склала горизонтальна вакуумна піч з ємністю для загартування, що є у лабораторії. Специфіка складів жароміцних матеріалів на нікелевії основі потребувала внести ряд конструктивних змін: а) для запобігання нагріву зразків, які не беруть участь в експерименті вище 400-450⁰С був установлений додатковий екран трапецієподібної форми, що охоплює тримач зразків на 3/4 його діаметру; б) з метою забезпечення максимальної рівномірності теплового поля біля зразка для виключення виникнення спрямованого фронту кристалізації вироблена зміна форми екранного захисту робочого простору печи (установлено блок екранів складної форми, що фокусує теплове випромінювання нагрівачів на цю зону розміщення зразків); в) щоб уникнути контакту вивчаємого розчину з матеріалом тримача зразків, було розроблено та виготовлено новий вузол тримача з карбонітриду бору.

Таблиця 1 - Хімічний склад досліджених жароміцних сплавів

№п/п	№ гр	Вміст елементів ( % за масою )
		Mn	Si	Cr	Ni	Co	Fe	Mo	W	V	Nb	Ti	Al	B	Zr	Cu	C	S	P
1	1	0.02	0.02	19.72	52.98	0.01	18.48	3.00	001	0.01	4.16	1.00	0.46	0.0028	0.001	0.02	0.029	0.0015	0.0020
2		0.02	0.02	16.44	54.20	0.01	18.55	2.97	001	0.01	6.13	1.13	0.44	0.0031	0.001	0.02	0.027	0.0012	0.0010
3		-	-	17.18	53.40	0.01	18.63	3.01	-	-	5.39	1.17	0.45	0.0028	0.001	0.02	0.027	0.0013	0.0010
4		-	-	19.12	54.32	0.02	17.89	2.93	-	-	3.95	1.19	0.46	0.0033	-	0.01	0.024	0.0018	0.0010
5		0.02	-	16.74	53.77	0.01	18.87	3.00	-	-	6.26	0.78	0.45	0.0027	-	0.02	0.027	0.0017	0.0030
6		0.01	0.02	18.02	53.21	0.01	18.96	3.01	001	0.01	5.39	0.82	0.46	0.0030	0.001	0.02	0.027	0.0010	0.0010
7		0.01	0.02	19.51	52.85	0.01	18.81	3.02	001	0.01	4.27	0.89	0.46	0.0029	0.001	0.02	0.023	0.0016	0.0010
8		0.02	0.02	16.54	53.55	0.01	19.30	3.01	001	0.01	6.22	0.96	0.44	0.0030	0.001	0.02	0.028	0.0018	0.0010
9		0.02	0.02	17.62	53.43	0.03	18.49	3.01	001	0.01	5.86	0.96	0.46	0.0020	0.001	0.02	0.020	0.0018	0.0010
10	2	0.50	0.50	8.00	56.00	15.00	0.50	-	6.50	-	0.80	1.30	4.75	0.0150	-	-	0.060	0.0010	0.0015
11		0.50	0.50	10.00	62.00	16.00	0.50	-	7.20	-	1.20	1.70	5.10	0.0150	-	-	0.060	0.0010	0.0015
12	3	0.40	0.50	9.00	56.60	15.50	-	2.60	6.90	-	-	1.50	5.00	1.000	-	-	-	0.0010	0.0010
13		0.40	0.50	9.00	56.60	15.50	-	2.60	6.90	-	-	1.50	5.00	2.000	-	-	-	0.0010	0.0010
14		0.40	0.50	9.00	56.60	15.50	-	2.60	6.90	-	-	1.50	5.00	3.000	-	-	-	0.0010	0.0010

Для отримання зразків аморфних сплавів, що тверділи зі швидкостями 10³-10⁶ К/с був використаний метод загартування на диск, який швидко обертається на приладі, що є у лабораторії. Експерименти проводились у середовищі проточного аргону високої чистоти. Для виявлення макроструктури зразки травились у канадському реактиві (2HF+1HNO₃+ 8H₂O + 2H₂SO₄). Для вивчення мікроструктури проводилось електролітичне травлення зразків у 50% розчину HNO₃ у спирті; теплове травлення. Для виявлення мікроструктурних особливостей компактної заготівки проводилось травлення 10% спиртовим розчином “царської водки “.

Вивчення та фотографування мікроструктури сплавів виконувалось на металографічному мікроскопі "АХIOMAT" фірми OPTON (ФРГ). Визначення об'ємної частки, середнього розміру та питомої поверхні розділу фаз, що беруть участь у твердінні сплаву, робилось за допомогою автоматичного структурного аналізатора "ЭПИКВАНТ" фірми "КАРЛ ЦЕЙС" (ГДР). Детальне дослідження мікроструктури загартованих зі твердо-рідкої зони зразків здійснювалось за допомогою растрового електронного мікроскопа. Мікрорентгеноспектральний аналіз виконувався на приладі фірми САМЕСА (Франція) по загальноприйнятії методиці. Обчислення коефіцієнту A_ZAF виконувалось на ЕОМ НР - 9835А (Хьюлетт-Паккард, США) по ітераціоної програмі "ПУМА". Удеяких випадках для уточнення фазового складу сплавів, які було швидко загартовано, використовувався рентгеноструктурний аналіз у фільтрованому випромінюванні по стандартній методиці.

Вимірювання твердості при високих температурах проводилось на високотемпературному твердовимірнику QM фірми “Nikon” сапфіровим індентором під навантаженням 50 г на приладі. Для кожного загартованого зі твердо-рідкого стану зразка обчислювалась відносна погрішність, яка ураховувала випадкові помилки, що було внесено під час металографічного та рентгеноспектрального аналізу.

ДОСЛІДЖЕННЯ ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ ПІД ЧАС ТВЕРДІННЯ ЖАРОМІЦНИХ СПЛАВІВ В УМОВАХ ПОВІЛЬНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ

Постадійне вивчення твердіння сплавів № 1-9 (див. таблицю 1)*, що були загартовані зі швидкістю 1.39 К/хв, показало, що спільний вплив кристалографічного фактора, температурно-концентраційної обстановки на фронті кристалізації, зокрема збагачення рідкої фази легуючими елементами, які мають низьку дифузійну рухомість, приводить до локального порушення порядку та геометрії дендритного відгалуження, що виявляється в вигину та зростанні близько лежачих гілок, утвор енні ексцентричних наростів та потовщень, а також сферичних зон розчину, повністю або частково ізольованих від його основної кількості.

При вивченні дифузійного перерозподілу елементів у сплавах групи 1 з'ясувалось, що у твердому розчині акумулюються Ni, Cr, Fe; у рідину інтенсивно відтинаються Nb, Ti, Mo. Це найбільш виявляється на заключній стадії твердіння. Збільшення вмісту легуючих компонентів у розчині в процесі кристалізації первинного твердого розчину приводить до того, що при 1100⁰ С рідина досягає евтектичного складу та починає кристалізуватися з утворенням евтектики складної морфології. Детальний металографічний аналіз сплавів при температурі початку утворення евтектики показав, що евтектична складова має бінарну будову та базується на карбіді ніобію і титану, що розчинюють до 4.5% Мо, а також незначну кількість Cr та Al. Евтектика має кубічну будову та характеризується низьким ступенем кооперативності фаз. Така послідовність кристалізаційних процесів характерна для усіх сплавів групи 1.

Кристалізація сплавів групи 2 починається при температурі 1400⁰С та супроводжується зародженням та ростом первинних дендритів з округлим перерізом гілок. Детальне металографічне дослідження зразків дозволяє виявить структурну неоднорідність, що свідчить про зміну хімічного складу по перерізу дендриту в наслідок ликваційних явищ. У результаті мікрорентгеноспектрального аналізу з'ясувалось, що погано розчинні у ГЦК решітці -фази Ti, Mo, Nb, Cr у процесі кристалізації відтісняються у рідину, -стабілізуючі елементи (Ni, Co), напроти, переважно локалізуються у твердому розчині. Внаслідок цього осьові ділянки дендритів збагачуються Ni та Со, міжосьові Ti, Mo, Nb, Cr. Металографічний аналіз зразків, що були загартовані на ступені евтектичного розпаду, дозволяє зробити висновок, що евтектика яка утворюються, має колоніальну структуру з відносно невисоким ступенем кооперативності. Ведуча фаза евтектики інтерметалева - -фаза з широкою ділянкою гомогенності, що містить Nb, Ti, Mo, W. Другою евтектичною фазою є -твердий розчин кобальту та заліза в нікелі. Результати металографічного та рентгеноспектрального досліджень підтверджують той факт, що він суттєво відрізняється по своєму складу від первинного -твердого розчину, тому що містить меншу кількість -стабілізуючих елементів. Кристалізація сплавів групи 2 закінчується при температурі 1200⁰С. При 1150⁰С починається розпад твердого розчину з утворенням інтерметалевої ^,-фази ((NiCo)₃(TiAl)).

З метою виявлення впливу легування бором на механізм та кінетику фазових перетворень під час кристалізації сплавів групи 3 була досліджена їх структура, що була отримана у результаті загартування зі швидкістю 1 К/с від температури 1000 ⁰С. Детальне дослідження отриманих зразків дозволяє встановити, що збільшення концентрації бора у сплаві до 1% стимулює утворення у міждендритних проміжках евтектичних колоній скелетної морфології. Як виходить із даних рентгеноспектрального мікроаналізу, евтектика при мінімальній кількості - стабілізуючих елементів значно збагачена молібденом та відрізняється підвищеним вмістом бора. Ведучою фазою евтектики є сполука типа Мо₃В₂, яка розчинює деяку кількість W, Cr, та Nb. Причиною утворення борідної евтектики є відтиснення у розчин, під час дендритної кристалізації -твердого розчину, атомів слабо розчинних у ньому -стабілізуючих металів і бора. Збільшення концентрації бора до 2-3% по масі (сплави №13-14) приводить до якісної зміни картини твердіння. Кристалізація починається при більш високій температурі у зразку зі сплавами №10-11 та супроводжується зародженням і ростом із розчину масивних кристалів борідної фази поліедрічної форми. Збіднення розчина бором і - стабілізуючими елементами приводить до утворення - твердого розчину і таким чином утворюються умови для зароджування і росту бікристалітної евтектичної колонії. На початкових ступенях росту ведуча евтектична фаза має правильну скелетну будову. Евтектичні боріди, які розташовані на периферії колоній, значно скривлені, що пояснюється непостійністю концентраційних і теплових умов на фронті кристалізації.

ВПЛИВ ТЕРМОКІНЕТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ВИПЛАВКИ ЖАРОМІЦНИХ НІКЕЛЕВИХ СПЛАВІВ НА ЇХ ЛІКВАЦІЙНУ НЕОДНОРІДНІСТЬ І СТРУКТУРНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

З метою визначення впливу швидкості охолодження під час твердіння на структурну однорідність, наважки сплавів групи 1 вагою 1.5 гр нагрівались зі швидкістю 20 К/хв до температури плавлення (Тпл) та охолоджували після 10-ти хвилинної ізотермічної витримки зі швидкостями 1.39±0.04 К/хв, 2.22±0.04 К/хв, 3.06±0.04 К/хв до температури загартування (Т_зг), від якої робили загартування у 10% розчині кухоної солі. Температури Т_пл и Т_зг вибиралися для кожного сплаву окремо на базі даних ДТА. Комплексне дослідження отриманих зразків дозволило встановити, що ріст швидкості охолодження приводить до здрібнювання первинного зерна сплаву (що засвідчує про значний коефіцієнт перерозподілу компонентів сплаву на фронті росту твердої фази), а також до збільшення кількості зерно-межової евтектики, змінюючи її фазовий склад у сторону переважного утворення інтерметалевих фаз. Температурні зони існування обох фаз перекриваються та у певному інтервалі швидкостей охолодження (2.22К/хв) спостерігається одночас-не твердіння інтерметалевих і карбідних фаз. Ідентифікація евтектичних фаз, яка заснована на аналізі їх морфологій та хімічного складу, показала наявність крім карбідів титану і ніобію також інтерметалевих фаз (фаз Лавеса), які розчинюють до 11%Fe;1.3%Ti;21%Nb;6%Mo;47%Ni;9.3%Cr та незначну кількість Al. Евтектика має пластинкову морфологію з високим ступенем кооперативності фаз. Кількісні зміни дозволили встановити, що при швидкості охолодження більш 2,22 К/хв інтерметалеві фази є основною ведучою фазою зерномежової евтектики. Рідка фаза при загартуванні від температур росту евтектики кристалізується в вигляді перенасиченого твердого розчину легуючих елементів у нікелі. Присутність у сплаві № 9 таких легуючих елементів як W, V, Zr, Si надає можливість кристалізації рідини у вигляді перенасиченого твердого розчину, а також і виродженої евтектики.

Сильний вплив виявляє швидкість охолодження на коефіцієнт ліквації (Кл) елементів сплавів групи 1, який обчислювався як відношення концентрації елементів у міжосьових ділянках дендритів до концентрації в осьових. Під час їх твердіння ліквація молібдену, ніобію і титану спочатку підсилюється, а потім убуває із зниженням температури загартування. Навпаки, значення Кл для хрому, нікелю та алюмінію спочатку убувають, а потім зростають з охолодженням усередині кристалізаційного інтервалу. Така закономірність зберігається для вивчених швидкостей охолодження, але, при значення V_охл=2.22К/хв на кривих температурної залежності K_Ti, K_Nb з'являється додатковий екстремум при значенні Т_зг=1200ч1230⁰С, який пов'язаний з суттєвим зниженням коефіцієнта ліквації.

З метою пояснення виявленого явища та знайдення шляхів його можливого промислового використання було вивчено перерозподіл елементів між рідкою фазою та евтектичною складовою на заключному ступені твердіння сплавів. Як з'ясувалось, евтектичний розпад рідини носить складний характер і супроводжується формуванням евтектичних колоній на базі карбідних і інтерметалевих фаз, які часто кристалізуються в одному температурному інтервалі. У цих умовах можна припустити, що спільна кристалізація евтектик на базі різних ведучих фаз стимулює дифузійні процеси як у рідині, так і у прилягаючих до неї ділянках первинного твердого розчину. При цьому напрямки дифузійних потоків можуть відрізнятися та взаємно компенсувати один одного, що знижає загальний рівень дендритної ліквації. Виявлене явище спостерігається практично в усіх вивчених сплавах № 1-9 , однак залежить від швидкості їх охолодження у процесі твердіння. Результати більш детального дослідження даного явища наведено у наступному розділі роботи.

Вплив швидкості охолодження на склад утворюваного твердого розчину полягає у такому. Металографічний аналіз зразків сплавів групи 2, які були загартовані з рідкого стану зі швидкістю 10²-10³ К/с, показав, що послідовність і механізм фазових перетворень під час кристалізації залишається таким же, як у випадку квазірівноважного твердіння, який розглянуто раніше. Структура швидко охолодженого сплаву може бути зображена як сукупність розгалужених дендритів -твердого розчину, у міжгілкових проміжках яких кристалізується тонкодиференційована евтектика. Наявність евтектичної складової дозволяє припустити, що при швидкості охолодження аж до 10³ К/с у тверднучому сплаві встигає здійснитись дифузійне відтиснення Nb і Mo у міжосьові ділянки дендритів. Вплив швидкості охолодження відбивається тільки на дисперсності дендритної структури. Якісна зміна фазового складу сплавів групи 2 спостерігається при підвищенні швидкості охолодження до значень V_охл=10⁴К/с і виявляється в зникненні евтектичної складової: структура загартованого сплаву представлена включно дендритами -твердого розчину. Це може бути пояснено відомим фактом розширення концентраційної зони існування твердих розчинів з підвищенням швидкості охолодження при загартуванні.

Разом з тим, аналіз мікроструктури показує наявність дендритної ліквації. Міжосьові ділянки дендритів, які розчинюють велику кількість W, Cr, Nb, Ti, мають гіршим травленням у 10% розчині “царської водки” та виглядають ясними при дослідженні методом растрової електронної мікроскопії.

Подальше прискорення процесу твердіння значно змінює як морфологію твердого розчину, так і механізм його утворення. При швидкості охолодження 5х10⁴К/с ступінь розгалуження дендритів -твердого розчину суттєво зменшується. У структурі зразка практично відсутні осі третього та більш високого порядку, дендрити набувають більш упорядковану будову. При кристалізації сплавів групи 2 в умовах надвисоких швидкостей охолодження (Vохл.10⁵К/с) спостерігається перехід від дифузійної до безвиборничої кристалізації твердої фази того ж складу, що і розчин. Про це свідчить відсутність перерозподілу легуючих елементів на фронті росту твердої фази.

З метою вивчення впливу швидкості охолодження на процеси структуроутворення у жароміцних сплавах з підвищеним складом бору, зразки сплавів №12-14 загартовувались від Т_з=1000⁰С зі швидкістю 10³К/с. З'ясувалось, що підвищення швидкості охолодження суттєво не впливає на їх фазовий склад. Також як і у випадку квазірівноважного твердіння (V_охл=1К/с) підвищення складу бору приводить до росту об'ємної долі евтектичної складової. При концентрації бора 2-3 % за масою (сплави №13-14) зразки мають евтектичну або заевтектичну структуру. Ведучою фазою евтектики є борідна фаза, яка розчинює значну кількість молібдену.

Подальше підвищення швидкості охолодження до значень 10⁴ К/с в корені змінює структуру вивчаємих сплавів у літному стані. Це виявляється у значному зменшенні кількості евтектичної складової та відповідному підвищенні долі твердого розчину. Так при значенні V_охл=5х10⁴ К/с у сплаві № 12 евтектичні колонії зустрічаються дуже рідко - їх об'ємна доля складає менш 1%, у той час, як при V_охл=10³К/с кількість евтектики підвищувала 15%. Це може пояснятися розширенням зони твердих розчинів при прискореній кристалізації, що часто спостерігається в евтектичних та перитектичних системах.

Підвищення швидкості охолодження до 10⁵К/с приводить до повного усунення евтектичної складової. Сплав складається тільки з слаборозгалуджених дендритів перенасичення - твердого розчину. Аналіз структури сплаву № 12, закристалізованого в умовах максимально можливих у даній роботі швидкостей охолодження (10⁶К/с) показує, що разом з сильним здрібнюванням кристалів твердого розчину спостерігається перехід від округлих до граних форм росту.

Дослідження надшвидкого твердіння сплавів № 13,14 дозволило встановити, що підвищення концентрації бора до 3% за масою впливає на структуру зразків також як і підвищення швидкості охолодження. Так, у сплаві №13 при V_охл=10⁵К/с розмір більшості кристалів складає 300-400 Е, а при V_охл=10⁶К/с вони взагалі не розрішаються у растровому електроном мікроскопі, тобто їх розмір не підвищує 50-70 Е. Аналогічна картина спостерігається у сплаві №14. Отже, після понадшвидкого твердіння сплави №13,14 мають мікрокристалічну структуру (розмір зерна менш 100 Е) і тому є найбільш перспективними для подальшого металургійного переробу.

Цей факт підтверджують і результати рентгеноструктурного аналізу сплаву №14. Аналіз доведених дифрактограм показує, що підвищення швидкості охолодження стимулює підсилення слабих ліній, які розташовані близько від сильних, що свідчить про утворення при кристалізації твердої фази практично того ж складу, що і вихідна рідина.

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ ПЕРВИННОЇ СТРУКТУРИ ЖАРОМІЦНИХ СПЛАВІВ ТА ЗАСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЇХ СТРУКТУРНОЇ ОДНОРІДНОСТІ

Складність хімічного складу жароміцних нікелевих сплавів та пов'язана з нею наявність великої кількості ступенів свободи приводить до значної різниці між складом евтектики, яка формується та розчином, що знаходиться з нею у рівновазі. Мікрорентгеноспектральний аналіз сплавів групи 1 показує, що твердіння евтектик на базі фаз Лавеса супроводжується незначним перерозподілом елементів. Напроти, при утворенні карбідних фаз спостерігається суттєве зниження концентрації ніобію і титану у рідині при одночасному її збагачуванні хромом. Зміна складу розчину приводить до порушення його рівноваги з первинним твердим розчином та стимулює дифузійні потоки, які зменшують концентрацію елементів у міжосьових ділянках дендритів. Це знижує рівень ліквації, однак і зменшує загальний ступінь легованості твердого розчину.

Таким чином, формування дендритної ліквації жароміцних нікелевих сплавів являє собою складний процес, який визначається впливом двох послідовних зустрічних факторів:

а) збагачення центральних ділянок дендритів хромом, залізом, алюмінієм та, в незначній мірі, нікелем, та об'єднання периферійних зон титаном, ніобієм та молібденом внаслідок перерозподілу елементів на фронті росту первинного твердого розчину;

б) насичення периферійних зон дендритів з боку рідкої фази хромом та збіднення ніобієм і титаном у залежності від характеру евтектичного твердіння.

Треба відзначити, що при невеликих швидкостях охолодження цей процес зачіпає і осьові ділянки дендритів. Металографічний аналіз зразків сплаву № 9 , що кристалізувалися зі швидкостями 2.22 К/хв., дозволив виявити три зони, які відрізняються своїм травленням та типом зерномежових виділень: найбільш високий рівень ліквації ніобію і титану відповідає зонам біля грубих, переважно інтерметалевих фаз (зона 1), які утворюються із великої кількості рідини. У той же час в зонах, які примикають до карбідних фаз (зона 2), ліквація ніобію і титану помітно менша, однак коефіцієнт ліквації молібдену і хрому підвищений. Ці зони при травленні виступають у вигляді сірих плям, які розташовані навколо евтектики, та декорують дендритну структуру. Найкраща з точки зору хімічної однорідності матеріалу картина складується у зоні тонких зерномежових виділень комбінованого характеру (зона 3).

Зрозуміло, що структурні зони сплаву, які мають різний характер ліквації, будуть по-різному поводитись у процесі гомогенізуючої термічної обробки і пластичної деформації, що може бути причиною лікваційних плям та інших дефектів у жароміцних сплавах в стані поставки.

З іншого боку, формування структури сплавів, яка відповідає зоні 3, дозволяє надіятися на суттєве підвищення структурно чуттєвих властивостей сплавів за рахунок регламентації процесу їх твердіння. Принципова можливість такого підходу пояснюється тим, що співвідношення зон структурної неоднорідності знаходиться у прямій залежності від кінетичних умов кристалізації сплавів.

Зокрема, для сплавів, які відповідають за складом № 1-9 найкращі характеристики структури забезпечує загартування зі швидкістю охолодження 2.2+0.4 К/хв із рідкого стану. Таке значення швидкості охолодження гарантує спільне формування у сплаві інтерметалевої та карбидної евтектики. Як відзначалося раніше, утворення евтектичних інтерметалевих та карбідних фаз справляє гомогенізуючий вплив безпосередньо в процесі твердіння сплаву за допомогою розв'язування дифузійних потоків легуючих компонентів у напрямку протилежному їх первинній ліквації при кристалізації твердого розчину.

Дослідна перевірка даного положення здійснювалась в умовах ДКБ “Південне”. Сплав складу №9 виплавлявся у 50-ти кілограмовій печі з захисною атмосферою та охолоджувався зі швидкістю приблизно 2,22 К/хв. Контроль швидкості охолодження та її рівномірність по перерізу зливка, який формується, здійснювалися шістьма рухомими термопарами, а також безінерційними пірометрами. Одночасно з цим виконувалась плавка по звичайному режиму, якому відповідає середня швидкість охолодження 1 К/хв.

Отримані циліндричні зливки діаметром 110 мм розрізались на подовжні темплети, в яких оцінювалась макроструктура в трьох горизонтах. Мікроструктурний аналіз зразків, які були відібрані із центрального темплету зливків дослідної та звичайної плавок, підтвердив в загальних рисах раніше сформульовані закономірності впливу швидкості охолодження на структуру сплаву та позитивний рафінуючий ефект зустрічної дифузії елементів при регламентації швидкості охолодження на рівні 2,22 К/хв.

Ураховуючи низьку технологічність сплавів з підвищеним вмістом бору, для перевірки можливості отримання компактної заготовки із порошкових аморфних сплавів було проведено такий експеримент. Стрічка, що була отримана на приладі спенінгування розчину на диск-кристалізатор, що обертається, механічно здрібнювалась до фракції 100-300мкм за допомогою вібраційного приладу сапфіровим робочим тілом Thyr-4. Порошок засипався у капсули із вуглецевої сталі діаметром 40мм, які після вакуумування та закладки титанового геттера підлягали екструзії за допомогою горизонтального лабораторного пресу на розмір - діаметр 5 мм. Температура нагріву під екструзію складала 1150⁰С.

Загальний аналіз структури сплаву № 14 показав наявність твердого розчину на базі ГЦК решітки та дрібнодисперсних борідних фаз, рівномірно діспергірованих у ньому. Порушення технології екструзірування (підвищення температури нагріву заготовки або швидкості деформування) може привести до появлення дефектів структури - бінарної евтектики або боридних фаз зі гранною формою росту, які утворюються під час твердіння рідини у мікроділянках локального оплавлення

Таким чином, експериментальний сплав показав достатню технологічність та, судячи по структурним параметрам, може бути признаним перспективним для використання як жароміцний матеріал для виробів, які працюють при температурах до 1000⁰С. На жаль, малий діаметр отриманого прутка не дозволив провести передбаченні ДОСТом випробування на схильність до високотемпературної повзучості, однак, оцінка залежності твердості HV від температури, яка була отримана за допомогою високотемпературного твердоміру QM фірми “Nikon”, показує збереження високої твердості HRC=45 при температурах випробувань аж до 950⁰С. Для порівняння, аналогічні значення твердості для найбільш перспективного на сьогодняшній день жароміцного нікелевого сплаву Superalloy 718 спостерігаються при температурі 750-800⁰С.

ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі - вивчення закономірностей структуроутворення, формування внутрішньокристалічної ліквації та фазових перетворень у жароміцних складнолегованих нікелевих сплавах та визначення термокінетичних умов їх виробництва. Поліпшення структурних параметрів за рахунок оптимізації термокінетичних умов виплавки та твердіння сплавів (температури перегріву розчину та швидкості охолодження) дозволяє знизити рівень дендритної ліквації у 1,5-1,8 рази, що суттєво підвищує рівень надійності матеріалів.

1. З аналізу літературних даних відомо, що експлуатаційні властивості жароміцних матеріалів визначаються їх складом та рівнем структурної та хімічної однорідності. Але питання, які пов'язані з закономірностями та кінетикою здійснювання лікваційних процесів, вивчено не дуже точно, це приводить до неможливості прогнозування надійності виробів спеціального призначення, тому що у лікваційних ділянках властивості матеріалів знижуються до неприпустимо малого рівня, з наступним передчасним зруйнуванням. Тому докладне вивчення процесів структуроутворення та формування внутрішньокристалічної лікваціі, та пошук шляхів цілеспрямованого впливу на механізм та кінетику фазових перетворень під час твердіння жароміцних нікелевих сплавах для підвищення їх хімічної та структурної однорідності є актуальним.

2. Розроблена методика дослідження фазових перетворень у жароміцних нікелевих сплавах способом “стоп-загартування”, яка полягає в у введенні у робочий простір печі фокусуючих екранів і оснащення тримача зразків, які запобігають угару легуючих елементів та забезпечують оптимальну відтворюваємость експериментальних даних з помилкою менш за 4 %.

3. Вивчено закономірності фазових перетворень при твердінні жароміцних нікелевих сплавів в умовах квазірівноважної кристалізації (Vохл=1.39 К/хв). Встановлено що:

а) у структурі первинного твердого розчину утворюються ізольовані кульовидні включення рідкої фази як наслідок зростання сусідніх дендритних гілок при їх нестаціонарному рості;

б) евтектична складова жароміцних нікелевих сплавів, які леговані переважно Nb, Ti, Cr, Al, Mo, має бінарну будову і базується на карбідах типа (Nb,Ti)C;

в) жароміцні нікелеві сплави, які леговані переважно Co, Cr, W, кристалізуються з утворенням евтектики на базі інтерметалевих -фази складного складу і ^,-фази типу ((NiCo)₃(TiAl));

г) жароміцні нікелеві сплави з підвищеним вмістом бору кристалізуються утворенням евтектики на базі сполуки типу Мо₃В₂.

4. Вивчено вплив термокінетичних параметрів твердіння (швидкості охолодження) сплавів на їх лікваційну неоднорідність і структурні характеристики. Показано, що:

а) з підвищенням швидкості охолодження у жароміцних нікелевих сплавах, легованих Nb, Ti , Cr, Al, Mo, кількість зерномежової евтектики ( яка складається із карбідів титану та ніобію, та інтерметалевих фаз Лавеса) збільшується, а її фазовий склад змінюється в бік переважного утворення інтерметалевих фаз. При певних значеннях швидкості охолодження спостерігається зміна карбідної евтектики на інтерметалеву;

б) аналіз коефіцієнту ліквації компонентів у жароміцних нікелевих сплавах, легованих Nb, Ti, Cr, Al, Mo, показав його значну залежність від швидкості охолодження для елементів з низькою дифузійною рухомистю ( Cr, Mo);

в) у ході евтектичної реакції спостерігається локальне збіднення твердого розчину ніобієм і титаном;

г) у жароміцних нікелевих сплавах, легованих Co, Cr, W підвищення швидкості охолодження приводить до структурних змін у такому порядку:

- розширення зони твердих розчинів з збереженням прямої ліквації Nb, Ti, W, Cr;

- формування граних форм росту, перехід до безвиборчої кристалізації.

д) в жароміцних сплавах з підвищеним складом бору при підвищенні швидкості охолодження від значень 10⁴К/с до 10⁵К/с значно зменшується кількість евтектичної складової (від 15 до 1%) аж до повного її усунення; збільшення значень швидкості охолодження від 10⁵ до 10⁶К/с приводить до отримання однорідної мікрокристалічної структури сплаву .

5. Узагальнений аналіз закономірностей структуроутворення та формування внутрішньокристалічної ліквації у жароміцних нікелевих сплавах, легованих Nb, Ti, Al, Cr, Mo та ін., дозволив встановити, що при кінетичних умовах охолодження, які забезпечують суспільний ріст карбідної та інтерметалевої евтектик, спостерігається суттєве зниження рівня дендритної ліквації сплаву.

6. Показана принципова можливість отримання компактної заготівки із порошків легованих бором аморфних сплавів на нікелевій основі, високотемпературні дюраметричні дослідження яких дозволяють надіятися на утворення нового класу металевих матеріалів, що не схильні до повзучості при температурах аж до 950⁰С.

7. Регламентація швидкості охолодження жароміцного нікелевого сплаву базового складу, який утримує 53,43% Ni, 18,49% Fe, 5,86 % Nb, 0,96% Ti, 17,62%Cr, 3,01% Mo, 0,46% Al та інш., та пов'язане з цим підвищення його структурної однорідності, дозволило в дослідних умовах знизити відбраковку литих деталей спеціального призначення на 15% по макроструктурі і механічним властивостям. Зазначенні рекомендації були враховані під час проектування технології та виробництві деталей ракетних двигунів, які розроблюються у ДКБ “Південне” та у теперішній час проходять виробничі випробування (лист № 9/-27 від 19.12.2000 р.)

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО У РОБОТАХ:

1.Формирование химической неоднородности карбидного зерна теплостойких сталей перитектического типа в процессе затвердевания / Е.П. Калинушкин, Ю.Н. Таран, В.А. Большакова, Д.Л. Нонко // Теория и практика металлургии.-1997.- № 2.- С.34 - 37.

2. Калинушкин Е.П., Нонко Д.Л. Механизм затвердевания и особенности первичной структуры жаропрочных сплавов на никелевой основе // Проблемы специальной электрометаллургии. -1999.- №1.-С. 54 - 59 .

3. Формирование ликвационной неоднородности в жаропрочных сплавах на никелевой основе / Е.П. Калинушкин, В.А. Большакова, Д.Л. Нонко, П.Ф.Нижниковская.// Металловедение и термическая обработка металлов.- 1999.-№2.- С.19 -22 .

4. Влияние азота на затвердевание теплостойких сталей/ Е.П. Калинушкин, Ю.Н. Таран, В.А. Большакова, Д.Л. Нонко // Теория и практика металлургии.-1998.- № 1.- С.16 - 18.

Додатково наукові результати дисертації відображено у роботах:

5.Калинушкин Е.П., Большакова В.А., Нонко Д.Л. Закономерности эвтектического затвердевания сложнолегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе // Труды междунар. конф. “Эвтектика IV”. - Днепропетровск: НМетАУ. -1997.- С.136-137.

6. Нонко Д.Л., Калинушкин Е.П. Влияние термокинетических параметров выплавки и затвердевания жаропрочных хром-никелевых сплавов на их фазовый состав и ликвационную неоднородность // Труды междунар. конф. “Наука і освіта'2000 ”. - Том 2.- Дніпропетровськ, “Наука і освіта”- 2000. -С. 41-42.

АНОТАЦІЇ

Нонко Д.Л. Дослідження формування структури жароміцних нікелевих сплавів з різним співвідношенням ніобію і титану з метою підвищення структурної однорідності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

В роботі вивчено закономірності фазових перетворень під час твердіння жароміцних нікелевих сплавів, виявлено особливості багатофазного твердіння, встановлено напрямки дифузійних потоків легуючих елементів та закономірності формування внутрішньокристалічної ліквації. Вивчено залежність показників структурної та хімічної неоднорідності та фазових перетворень у жароміцних матеріалах від термокінетичних параметрів плавки. Встановлено вплив бору на закономірності структуроутворення нікелевих жароміцних сплавів в інтервалі швидкостей охолодження аж до 10⁶ К/с та встановлена можливість створення порошкових матеріалів підвищеної жароміцності. Розроблено рекомендації щодо зниження лікваційної і структурної неоднорідності сплавів за рахунок оптимізації процесу їх металургійного виробництва.

Ключові слова: жароміцні нікелеві сплави, багатофазне твердіння, термокінетичні параметри, структуроутворення, фазови перетворення, внутрішньокристалічна ліквація.

Нонко Д.Л. Исследование формирования структуры жаропрочных никелевых сплавов с различным соотношением ниобия и титана с целью повышения структурной однородности. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2001.

На данный момент достаточно подробно изучены проблемы связанные с разработкой и использованием жаропрочных никельсодержащих сплавов. В последних работах по структурообразованию отмечается факт сложного строения эвтектики в высоколегированных жаропрочных сплавах, которая может базироваться на МС-карбидах и богатой ниобием фазе Лавеса, но морфология, закономерности и условия образования этих фаз остаются практически не изученным. Вместе с тем, отмечается значительное влияние их строения и расположения на свойства материалов. Основной причиной падений механических свойств в сплавах рассматриваемой группы считается формирование зональной и дендритной ликвации в первичных слитках. Однако в современной литературе практически отсутствуют сведения или результаты экспериментальных исследований диффузионного перераспределения элементов в процессе затвердевания сплавов, лежащих в основе образования химической неоднородности слитков.

В настоящее время все чаще для производства сплавов рассматриваемой группы помимо традиционного металлургического применяется порошковый способ передела, что позволяет обеспечить более высокие показатели качества, а также уменьшить себестоимость готовых изделий. При этом пока не достаточно хорошо изучены закономерности фазовых превращений при быстрой кристаллизации жаропрочных сплавов, не установлена корреляция между морфологией образующихся структурных составляющих и скоростью охлаждения. Таким образом, работа, посвященная детальному изучению процессов структурообразования и формирования внутрикристаллической ликвации, а также поиску путей целенаправленного влияния на механизм и кинетику фазовых превращений при затвердевании жаропрочных сплавов на никелевой основе для повышения их химической и структурной однородности, является актуальной.

В работе впервые установлены закономерности многофазного затвердевания жаропрочных сплавов на никелевой основе, заключающиеся в последовательной кристаллизации эвтектик на основе карбидных и интерметаллидных фаз; установлены критические условия перехода от последовательной кристаллизации эвтектик к формированию тройных эвтектических структур, а также экстремальная зависимость характеристик ликвации никелевых сплавов от скорости охлаждения при затвердевании; показана возможность значительного снижения уровня дендритной ликвации за счет влияния термокинетических параметров затвердевания сплавов на последовательность и кинетику фазовых превращений при формировании их первичной структуры; установлены закономерности влияния бора на структурообразование в никелевых жаропрочных сплавах при скоростях охлаждения вплоть до 10⁶К/с и показана принципиальная возможность их получения в аморфном состоянии.

...