Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Анализ диаграммы состояния двухкомпонентной системы Hf-Ir с разработкой режимов термической обработки для заданного сплава

Харланова О. Д.

Группа 33311/2

Руководитель работы: Масликова Е.И.

Санкт-Петербург 2014

Оглавление

1. Области применения сплавов Hf и Ir

1.1 Сплавы гафния (Hf)

1.2 Сплавы иридия (Ir)

2. Анализ диаграммы состояния

2.1 Характеристика компонентов

2.2 Типы сплавов

2.3 Фазовые области диаграммы Hf-Ir и линии ликвидуса и солидуса

2.4 Нонвариантные превращения

2.5 Моновариантные превращения

2.6 Описание процесса кристаллизации и построение кривой охлаждения для сплава заданного состава

2.7 Определение соотношения фаз и структурных составляющих в сплаве при заданной температуре

3. Разработка режимов термической обработки

1. Области применения сплавов Hf и Ir

· Сплавы тантал-вольфрам-гафний являются лучшими сплавами для подачи топлива в газофазных ядерных ракетных двигателях;

· Сплавы титана, легированные гафнием, применяются в судостроении (производство деталей судовых двигателей), а легирование гафнием никеля не только увеличивает его прочность и коррозионную стойкость, но и резко улучшает свариваемость и прочность сварных швов;

· Легирование гафнием резко упрочняет многие сплавы кобальта, используемые в турбостроении, нефтяной, химической и пищевой промышленности;

· Гафний используется в некоторых сплавах для сверхмощных постоянных магнитов на основе редких земель (в частности, на основе тербия и самария);

· Сплав карбида гафния (HfC, 20 %) и карбида тантала (TaC, 80 %) является самым тугоплавким сплавом (т. пл. 4216 °C). Кроме того, есть отдельные указания на то, что при легировании этого сплава небольшим количеством карбида титана температура плавления может быть увеличена ещё на 180 градусов;

· Добавлением 1 % гафния в алюминий получают сверхпрочные сплавы алюминия с размером зерен металла 40-50 нм. При этом не только упрочняется сплав, но и достигается значительное относительное удлинение и повышается предел прочности при сдвиге и кручении, а также улучшается вибростойкость;

· Сплавы гафния и скандия применяются в микроэлектронике для получения резистивных пленок с особыми свойствами.

1.2 Сплавы иридия (Ir)

В настоящее время практическое применение имеет только платиноиридиевый сплав. Подобно платине, сплав обладает высокой химической стойкостью и не окисляется. Добавка иридия существенно повышает прочность. Так твёрдость чистой платины -- около 56 HV, твёрдость сплава с 50 % иридия достигает 500 HV. Существует несколько марок данного сплава, в частности, ПлИ-10 (10 % иридия), ПлИ-15 (15 % иридия), и т. д., которые используются для изготовления скользящих и разрывных контактов, медицинских принадлежностей.

2. Анализ диаграммы состояния

Компонент Hf находится в таблице Менделеева под номером 72, в 5 группе, побочной подгруппе; атомная масса равна 178,49. Его температура плавления - 2233 °C. При температуре Т=1740 °C происходит полиморфное превращение, при котором модификация вHf с кристаллической структурой типа бFе- кубическая переходит в модификацию бHf со структурой типа Mg-гексагональная. иридий гафний солидус

Компонент Ir находится в таблице Менделеева под номером 77, в 8 группе, побочной подгруппе; атомная масса равна 192,22. Имеет более высокую температуру плавления - 2447 °C. В этом компоненте полиморфных превращений нет.

2.2 Типы сплавов

На основе вHf-модификации образуется ограниченный твердый раствор (обозначаемый в) с максимальной растворимостью компонента Ir в компоненте Hf, равной 10% при температуре 1425 °C. На основе бHf-модификации образуется ограниченный твердый раствор (обозначаемый б) с максимальной растворимостью компонента Ir в компоненте Hf, равной 1% при температуре 1375°C. При температуре 1000°C компонент Ir не растворяется в компоненте Hf.

На основе компонента Ir образуется ограниченный твердый раствор, обозначаемый д, с максимальной растворимостью компонента Hf в компоненте Ir, равной 10% при температуре 2250єС.

На диаграмме состояния присутствуют фазы:

· Hf₂Ir, являющаяся неустойчивым химическим соединением, так как разлагается при температуре ниже линии ликвидуса. В то же время ее химический состав не изменяется в интервале температур от 1000 до 1720 °C.

· Hf₅Ir₃, являющаяся неустойчивым химическим соединением. Ее химический состав не изменяется в интервале температур от 1000 до 1920 °C.

· HfIr, являющаяся устойчивым химическим соединением.

· HfIr₃, являющаяся устойчивым химическим соединением.

Остальные сплавы на диаграмме состояния являются двухфазными и относятся к сплавам смесям.

2.3 Фазовые области диаграммы Hf-Ir и линии ликвидуса и солидуса

Фазовый состав в двухфазных областях (определяется по правилу отрезков) указан непосредственно на диаграмме. Линия ликвидуса обозначена пунктиром, солидуса - точками. Выше линии ликвидуса сплавы находятся в жидком состоянии, образуя жидкий раствор. При охлаждении от температуры ликвидуса начинается кристаллизация сплавов, которая заканчивается на линии солидуса. Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы находятся в полужидком состоянии.

2.4 Нонвариантные превращения

На диаграмме имеется 6 трехфазных равновесий:

1. efg - эвтектоидное превращение при Т = 1375єС:

в_{[9% Ir]} (б_{[2% Ir]} + Hf₂Ir_{[30% Ir]});

2. hij - эвтектическое превращение при Т = 1425єС:

Ж_{[17% Ir]} (в_{[10% Ir]} + Hf₂Ir_{[28% Ir]});

3. klm - перитектическое превращение при Т = 1720єС:

Ж_{[26% Ir]} + Hf₅Ir_{3[38% Ir]} Hf₂Ir_{[33.3% Ir]};

4. tnp - перитектическое превращение при Т = 1900єС:

Ж_{[36% Ir]} + HfIr_{[50% Ir]} Hf₅Ir_{3[37.5% Ir]};

5. qrs - эвтектическое превращение при Т = 2085єС:

Ж_{[62% Ir]} (HfIr_{[55% Ir]} + HfIr_{3[75% Ir]});

6. uwv - эвтектическое превращение при Т = 2250єС:

Ж_{[85% Ir]} (HfIr_{3[80% Ir]} + д_{[90% Ir]}).

2.5 Моновариантные превращения

При охлаждении на линии ликвидуса начинает кристаллизоваться новая (твердая) фаза. Ее концентрация определяется путем проведения изотермы в двухфазной области от точки пересечения до ближайшей линии на диаграмме:

1. По линии ai в интервале Т = 1425-2200єС: Ж_{[0-17% Ir]} в_{[0-10% Ir]};

2. По линии ik в интервале Т = 1425-1720єС: Ж_{[17-26% Ir]} Hf₂Ir_{[28-33.3% Ir]};

3. По линии kt в интервале Т = 1720-1900єС: Ж_{[26-36% Ir]} Hf₅Ir_{3[37.5% Ir]};

4. По линии tz в интервале Т = 1900-2500єС: Ж_{[36-50% Ir]} HfIr_{[50% Ir]};

5. По линии zr в интервале Т = 2085-2500єС: Ж_{[50-62% Ir]} HfIr_{[50-55% Ir]};

6. По линии rx в интервале Т = 2085-2480єС: Ж_{[62-75% Ir]} HfIr_{3[75% Ir]};

7. По линии xw в интервале Т = 2250-2480єС: Ж_{[75-85% Ir]} HfIr_{3[75-80% Ir]};

8. По линии wy в интервале Т = 2250-2490єС: Ж_{[85-100% Ir]} д_{[90-100% Ir]};

Полиморфное превращение:

9. По линии bf в интервале Т = 1375-1750єС: в_{[0-9% Ir]} б_{[0-2% Ir]};

Частичный распад твердых растворов:

10. По линии hf в интервале Т = 1375-1425єС: в_{[9-10% Ir]} Hf₂Ir_{[28-30% Ir]};

11. По линии de в интервале Т = 1000-1375єС: б_{[0-2% Ir]} Hf₂Ir_{[30-33.3% Ir]}.

2.6 Описание процесса кристаллизации и построение кривой охлаждения для сплава заданного состава

Кривая охлаждения строится в координатах «температура - время». Количество критических точек определяется числом пересечений вертикальной линии, соответствующей сплаву (С₀), с линиями диаграммы. В рассматриваемом сплаве таких точек 5 (рис.2).

Рисунок 2 Определение состава равновесных фаз Ж и в при различных температурах

При охлаждении сплавов, не имеющих фазовых переходов (аморфные материалы) изменение температуры сплава происходит по экспоненциальному закону. Отношение ДТ/Дф определяет скорость охлаждения в каждой точке кривой охлаждения.

При достижении ликвидуса (T=2065єC, точка 1) кристаллизуется новая фаза по реакции Ж в, состав которой определяется изотермой, проведенной в двухфазной области до пересечения с ближайшей линией диаграммы (рис.2), и изменяется в соответствии с линией солидуса при охлаждении до T=1775, соответствующей точке 2.

При этом состав жидкой фазы изменяется в соответствии с линией ликвидуса в интервале температур 1775-2065єС. Используя правило фаз Гиббса рассчитаем число степеней свободы по уравнению С = К - Ф + 1.

Количество компонентов в данной системе Hf-Ir равно 2. Количество фаз определяется количеством членов фазового превращения - Ж и в. Отсюда С = 1. Таким образом, процесс данного фазового превращения (первичная кристаллизация) для заданного сплава идет в интервале температур 1775-2065єС.

Рисунок 3 Построение кривой охлаждения

Рисунок 4 Схематичное изображение процесса кристаллизации для сплава 5% Ir

Для построения кривой охлаждения отмечаем критические точки на оси температур (рис.3).Реакции, протекающие при охлаждении сплава:

До Т=2065єС (т. 1) охлаждается Ж;

1775-2065єС (т. 1-2): Ж_{[5-13.5% Ir]} в_{[2-5% Ir]};

1530-1775єС (т. 2-3): охлаждается в;

1380-1530єС (т. 3-4): в_{[5-9% Ir]} б_{[1.5-2% Ir]};

Т=1375єС (т. 4): в_{[9% Ir]} (б_{[2% Ir]} + Hf₂Ir_{[30% Ir]}).

Скорость охлаждения между точками 1 и 2 (1775-2065єС ) замедляется из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации, поэтому кривая охлаждения будет плавно отходить от экспоненциального закона.

В интервале температур 1530-1775єС, соответствующих точкам 2 и 3, будет охлаждаться твердый раствор в, участок кривой охлаждения будет выражаться экспонентой.

В точке 3 (Т=1530єС) начинается полиморфное превращение, протекающее по реакции в б. Состав новой фазы определяется изотермой, проведенной в двухфазной области до пересечения с ближайшей линией диаграммы, и изменяется в соответствии с линией солидуса при охлаждении до температуры 1375єС, соответствующей точке 4.

При температуре 1375єС происходит эвтектоидное превращение.

Далее строим участки, соответствующие полиморфному превращению, затем эвтектоидному. Наконец, при температуре 1375єС будет происходить частичный распад твердого раствора с выделением Hf₂Ir-фазы при изменении химического состава от 5 до 8%.

2.7 Определение соотношения фаз и структурных составляющих в сплаве при заданной температуре

Для определения соотношения фаз и структурных составляющих необходимо воспользоваться правилом рычага. Построение рычага для сплава С₀ производится при температуре Т = 1400єС (рис.3). Состояние сплава в этом случае характеризуется фигуративной точкой «к».

Воображаемая опора рычага помещается в точку «к» (рис.4), количество фаз б и в характеризуется соответственно Q_б и Q_в.

Рисунок 5 Построение рычага для определения соотношения фаз

Условие равновесия рычага запишется в виде:

Q_б * ak = Q_в * kb.

Выражая величины отрезков ak и kb через концентрации соответствующих фаз, получим:

Q_б * (C₀ - C_a) = Q_в * (C_b - C₀),

откуда соотношение фаз

Q_б /Q_в = (C_b - C₀)/ (C₀ - C_a),

Q_б /Q_в = (8 - 5)/(5 - 1) = 3/4.

Соотношение структурных составляющих определяется из условия равновесия рычага для структурных составляющих. В точке «к» структурные составляющие совпадают с фазовыми, и их соотношение также равно 3/4.

3. Разработка режимов термической обработки

Поскольку кристаллизация сплава начинается с выделения из жидкости твердого раствора в и происходит в широком диапазоне температур 1775-2065єС, соответствующих точкам 1 и 2, состав твердого раствора в будет неравномерным по сечению литого металла (явление внутрикристаллической ликвации). Неравномерность химического состава сохранится и при последующих фазовых превращениях. Поэтому целесообразно в качестве предварительной термической обработки провести гомогенизационный (диффузионный) отжиг для выравнивания химического состава по зерну. Температура отжига должна быть высокой для обеспечения полноты протекания диффузионных процессов, но при этом необходимо исключить возможность оплавления, то есть она должна быть не менее, чем на 100-200єС ниже линии ликвидуса. Выбираем температуру 1900єС.

Исходя из условия экономической целесообразности и в зависимости от размера детали, время выдержки назначаем 8-20 часов, охлаждение с печью. Высокая температура отжига приводит к крупному зерну. Для устранения крупнозернистости, возникающей при диффузионном отжиге, в качестве второй операции ПТО выбираем нормализацию - нагрев до температуры выше точки 3 на 20-30єС с последующим охлаждением на воздухе. Выбираем нагрев до температуры 1550єС. Схема ПТО приведена на рис.6.

Рисунок 6 Схема ПТО

Для максимального упрочнения сплава применяем закалку с полиморфным превращением и последующим низким отпуском. Схема ОТО приведена на рис.7.

Рисунок 7 Схема ОТО

Такая термическая обработка позволяет получить неравновесную структуру после закалки, отличающуюся высокой твердостью из-за напряжений III рода, возникающих в кристаллической структуре. Реализуется механизм мартенситного превращения. Напряжения I и II рода, вызванные соответственно технологическими особенностями и фазовыми превращениями, увеличивают хрупкость и склонность к короблению.

Низкий отпуск позволяет снизить напряжения I и II рода и уменьшить опасность трещинообразования без снижения твердости. С этой целью сплав нагреваем до температуры 1550єС (выше точки 3 на 20-30єС), и охлаждаем со скоростью большей, чем критическая для предотвращения распада твердого раствора. Такую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Температуру низкого отпуска выбираем 250єС, время выдержки после прогрева детали -2ч, охлаждение на воздухе.

Размещено на Allbest.ru