Исследование режимов отжига никелевого покрытия, пайки и термообработки соплового аппарата из жаропрочного сплава ЭК61-ИД с повышенным ресурсом эксплуатации

отжиг никелевый сплав пайка

Исходя из этих предпосылок, оптимизированный режим термообработки СА из сплава ЭК61-ИД для обеспечения мелкозернистой структуры, определился следующим образом:

- нанесение гальванического никелевого покрытия и его обжиг по режиму многоступенчатого нагрева с выдержкой при температуре 730°С, 15 ч, охлаждение с печью до 650°С, выдержка при 650°С, 10ч., охлаждение с печью;

- пайка припоем ПСр5,5 при температуре 1000°С с выдержкой 20 минут по режиму многоступенчатого нагрева и замедленного охлаждения;

- старение: 730°С, 15 ч., охлаждение с печью до 650°С, выдержка при 650°С, 10 ч., охлаждение с печью.

Таким образом, нанесение гальванического никелевого покрытия и его отжиг, термообработка после пайки выполняется по стандартному режиму старения сплава ЭК61-ИД.

Апробирование оптимизированного режима термообработки СА проводили на тангенциальных образцах, вырезанных из модельной поковки имитатора СА.

Модельную поковку 240Ч64 мм изготовили из кованой заготовки 120Ч245 мм сплава ЭК61-ИД в изотермических условиях за два перехода.

Деформацию модельной поковки имитатора СА, также как и изотермическую поковку 143Ч56 мм, выполнили на гидравлическом прессе усилием 16МН в изотермическом блоке. Температура нагрева штампа выдерживали в интервале температур (900-920)°С. Нагрев заготовки перед деформацией осуществляли в электропечи при температуре 980°С. После первого перехода и второго перехода заготовку медленно охлаждали. Скорость деформирования на первом переходе составляла 0,79 мм/сек, на втором переходе - 0,64 мм/сек при степени деформации в каждом переходе равной 50%.

Имитация существующей технологии изготовления СА выполнена на осевых образцах вырезанных из кованого прутка 120 мм сплава

ЭК61-ИД.

В связи с тем, что в прутке после закалки по стандартному режиму сформировалась мелкозернистая структура, для получения крупнозернистой структуры, присущей крупногабаритной штамповке СА, перед имитацией действующих режимов СА была проведена закалка с температуры 1070°С.

Результаты сравнительных испытаний механических свойств кованого прутка и модельной поковки СА приведены в таблице 2. Прочностные характеристики образцов модельной изотермической поковки, термообработанных по оптимальному режиму СА, существенно превышают соответствующие значения образцов кованого прутка, термообработанных по существующей технологии изготовления СА. Временное сопротивление разрыву _В на 130 МПа или на 12,6% выше чем у кованого прутка. Условный предел текучести _0,2 на 157 МПа или на 19,3% выше чем у кованого прутка. Пластические характеристики образцов изотермической поковки, термообработанных по оптимальному режиму СА, соответствуют заявленным требованиям, но ниже чем у образцов кованого прутка, термообработанных по существующей технологии изготовления СА. Относительное удлинение нижена 14,8% по абсолютной величине (на 38% по относительной величине), относительное сужение ниже на 4,1% по абсолютной величине (на 8,2% по относительной величине), ударная вязкость KCU ниже на 66,6 кДж/м² или 35,6%, чем у образцов кованого прутка, термообработанных по существующей технологии изготовления СА. Таким образом, использование режима двойного старения после пайки приводит к существенному росту прочностных характеристик сплава ЭК61-ИД при достаточном уровне пластических характеристик.

Для оценки влияния оптимизированного режима термообработки СА на величину диффузионной зоны «никелевое покрытие - основной металл» из модельной поковки СА были изготовлены образцы в виде пластин с нанесёнными на них гальваническим методом никелевым покрытием.

Таблица 2

Механические свойства образцов из кованого прутка 120 мм сплава ЭК61-ИД

после термообработки по существующему режиму СА и из образцов изотермической поковки 240Ч64 мм сплава ЭК61-ИД после термообработки по оптимизированному режиму СА

Исследование проводили методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного рентгеновского микро-анализа EDAX. Металлографические исследования выполнены на инвертированном металлографическом микроскопе отраженного света Olympus GX51. Для вывода информации на компьютер и последующей её обработки использовался набор программ для обработки и документирования изображений (ImageExpert Pro 3, ImageExpert Gauge, Image Expert Micro- Hardness). Для тонких исследований структурно-морфологических свойств образцов применялся сканирующий электронный микроскоп Quanta 3D FEG с приставкой энергодисперсионного рентгеновского микроанализа EDAX. Результаты исследования, выполненные на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), документировались в виде растровых электронно-микроскопических (РЭМ) изображений и данных рентгеновского микроанализа, которые отображают элементный состав вдоль линии, по которой проводилось исследование. В исследованиях использовали детектор обратно-рассеянных электронов (Backscattered electrons detector - BSED) и детектор Эверхарта -Торнли (Everhart Thornley Detector - ETD).

Исследование качества никелевого покрытия проводилось на двух пластинах № 13 и 16. Пластины № 13 и 16 термообрабатывали по оптимизированному режиму изготовления СА. Гальваническое покрытие на пластинах однородное и ровное без дефектов. Толщина покрытия составляет около 130 мкм. На границе покрытия с поверхностью основного материала присутствует большое количество пор. Поры характеризуются бимодальными распределением по размерам: большие, со средними размерами 16 мкм, и мелкие, с характерными размерами

1-2 мкм. В области границы «покрытие-поверхность пластины» в местах без пористости наблюдается плотный контакт, что свидетельствует о хорошей адгезии.

Из кривых изменения концентрации элементов Ni, Fe и Cr установлено, что толщина никелевого покрытия составляет для образца №13 - около 130 мкм, для образца №16 - около 105 мкм. Диффузионная зона «материал пластины - никелевое покрытие» для элементов Ni, Fe и Cr составляет у образца № 13 около 18 мкм, у образца № 16 около 25 мкм. Концентрация Ni при переходе границы от материала пластины к покрытию увеличивается до максимума и остаётся постоянной. Концентрация Fe и Cr при переходе границы от материала пластины к покрытию уменьшается до нуля после диффузионной зоны.

Размер диффузионной зоны «никелевое покрытие - основной металл» также контролировали металлографическим методом. Величина диффузионной зоны у образцов № 13 и 16 составила 21-34 мкм, что соответствует результатам определения диффузионной зоны на образцах, термообработанных по действующим режимам изготовления СА

(13-30 мкм, при толщине покрытия от 110 до 240 мкм).

Таким образом, полученные значения величины диффузионной зоны после термообработки по оптимальному режиму изготовления СА удовлетворяют предъявленным требованиям и находятся на одном уровне с существующей технологией изготовления СА. Следовательно, для качественного сцепления никелевого покрытия достаточно проводить отжиг при температуре старения для сплава ЭК61-ИД.

Для определения возможности проведения после пайки сплава

ЭК61-ИД с жаропрочной хромовой бронзой БрХ08 двухступенчатого старения по стандартному для сплава ЭК61-ИД режиму проведены исследования на образце паяного шва, вырезанного из СА, изготовленного по существующей технологии с выполнением всех режимов нагрева. Образец разрезали на две части, одна часть была выбрана в качестве эталона (образец №1), вторая часть была достарена по режиму: 730°С, 5 ч, воздух + 650°С, 10 ч, воздух - до стандартного для сплава ЭК61-ИД режима старения (образец №2).

Исследование паяного соединения «БрХ08 - ЭК61-ИД» на образце

№ 1 показало, что паяный шов имеет однородную толщину около 160 мкм. По глубине паяное соединение имеет неоднородную структуру. В области контакта с БрХ08 припой имеет плотное соединение с наличием некоторого количества пор, с характерными размерами около 4 мкм. В глубине паяного соединения присутствуют области, содержащие значительное количество серебра. Области, содержащие серебро, имеют плотное соединение с материалом припоя, но в некоторых наблюдается незначительное количество пор с характерными размерами около 8 мкм. В области контакта припоя с сплавом ЭК61-ИД припой имеет плотное соединение, с наличием значительной пористости с характерными размерами пор около 1-5 мкм.

Результаты исследования элементного состава основных легирующих компонентов паяного соединения на образце № 1 в весовых процентных долях(Wt %) приведены таблице 3.

Таблица 3

Элементный состав основных легирующих компонентов в области паяного соединения вырезанного из СА, изготовленного по существующей технологии, и после дополнительного старения при 730°С, 5 ч + 650°С, 10 ч.

Примечание: СТ - существующая технология, ДС - после дополнительного старения, Обр. - образец.

Диффузионная зона изменения концентрации элементов Cu, Ni, Mn в области спая со стороны БрХ08 составляет около 40 мкм, диффузия элементов Ag, Cr, Fe незначительна. В средней части шва паяного соединения наблюдается уменьшение концентрации Mn по сравнению с областями на краях паяного соединения. Распределение элементов на границе паяного соединения со сплавом ЭК61-ИД показывает, что диффузия Cr и Fe в материал припоя незначительна. Изменение содержания Mn и Ni в области соединения припоя со сплавом ЭК-61ИД имеет сложное распределение. Содержание Mn при переходе границы от сплава ЭК61-ИД к припою не претерпевает значительных изменений, но затем содержание Mn увеличивается. Содержание Ni при переходе границы от сплава ЭК61-ИД к припою меняется скачком до некоторого значения и остаётся постоянным на расстоянии около 20 мкм, затем его концентрация уменьшается.

В средней части шва паяного соединения наблюдается уменьшение концентрации Ni, и затем некоторый рост около границы с БрХ08. Содержание Cu при переходе границы от сплава ЭК61-ИД к припою значительно не изменяется, в средней части шва паяного соединения наблюдается увеличение концентрации Cu (в областях повышенного содержания Ag) и затем некоторое уменьшение около границы с БрХ08.

В средней части шва паяного соединения наблюдается уменьшение концентрации Ni, и затем некоторый рост около границы с БрХ08. Содержание Cu при переходе границы от сплава ЭК61-ИД к припою значительно не изменяется, в средней части шва паяного соединения наблюдается увеличение концентрации Cu (в областях повышенного содержания Ag) и затем некоторое уменьшение около границы с БрХ08.

Исследование паяного соединенияна образце №2, подвергнутого допол-нительному старению, показало, что паяный шов имеет однородную толщину около 150 мкм. По глубине паяное соединение имеет неоднородную структуру. В области контакта с БрХ08 припой имеет плотное соединение с наличием некоторого количества пор с характерными размерами около 2,5-3 мкм. В глубине паяного соединения присутствуют области, содержащие значительное количество серебра. Области, содержащие серебро имеют плотное соединение с материалом припоя, но в некоторых наблюдается незначительное количество пор с характерными размерами около 8 мкм. В области контакта припоя со сплавом ЭК61-ИД припой имеет плотное соединение с наличием значительной пористости с характерными размерами пор около 0,3-1,5 мкм.

Результаты исследования элементного состава основных легирующих компонентов паяного соединения на образце № 2 в весовых процентных долях(Wt %) приведены таблице 3.

Диффузионная зона изменения концентрации элементов Cu, Ni, Mn в области спая со стороны БрХ08 составляет около 45 мкм, диффузия элементов Ag, Cr, Fe незначительна. В средней части шва паяного соединения наблюдается уменьшение концентрации Mn по сравнению с областями на краях паяного соединения. Распределение элементов на границе паяного соединения со сплавом ЭК61-ИД показывает, что диффузия Cr и Fe в материал припоя незначительна. Изменение содержания Mn и Ni в области соединения припоя со сплавом ЭК61-ИД имеет сложное распределение. Содержание Mn при переходе границы от сплава ЭК61-ИД к припою не претерпевает значительных изменений, но затем содержание Mn увеличивается. Содержание Ni при переходе границы от сплава ЭК61-ИД к припою меняется скачком до некоторого значения и остаётся постоянным на расстоянии около 30 мкм, затем его концентрация уменьшается. В средней части шва паяного соединения наблюдается уменьшение концентрации Ni, и затем некоторый рост около границы с БрХ08. Содержание Cu при переходе границы от сплава

ЭК61-ИД к припою значительно не изменяется, в средней части шва паяного соединения наблюдается увеличение концентрации Cu (в областях повышенного содержания Ag) и затем некоторое уменьшение около границы с БрХ08, но более плавное чем в образце №1.

Таким образом, дополнительное старение (730°С, 5 ч. + 650°С, 10 ч.) паяного соединения, изготовленного по существующей технологии пайки СА со старением после пайки (730°С, 10 ч.), не приводит к существенному изменению качества паяного соединения и подтверждает возможность проведения после пайки стандартного для сплава ЭК61-ИД режима двухступенчатого старения, необходимого дляповышения механических свойств соплового аппарата и ресурса его эксплуатации.

Заключение

1. Исследованы режимы отжига никелевого покрытия, пайки и старения после пайки сплава ЭК61-ИД, подвергнутого изотермической деформации, с целью повышения уровня механических свойств материала соплового аппарата. Разработан оптимизированный режим термообработки соплового аппарата.

2. Исследовано влияние режимов отжиганикелевого покрытия, пайки и последующей термообработки на диффузионную зону, микроструктуру и механические свойства сплава ЭК61-ИД. Установлено, что величина диффузионной зоны «никелевое покрытие - основной металл» после термообработки по оптимизированному режиму изготовления соплового аппарата с отжигом никелевого покрытия по стандартному режиму старения сплава ЭК61-ИД составляет (21-34) мкм и находится на одном уровне с величиной диффузионной зоны после термообработки по существующей технологии равной (13-30) мкм.

3. Проведёно комплексное исследование паяного соединения, выполненного по существующей технологии и после дополнительного старения. Показано, что качество паяного соединения после дополнительного старения практически не отличается от качества паяного соединения, полученного по существующейтехнологии.

4. Применение изотермической деформации и термообработки по оптимизированному режиму отжига никелевого покрытия, пайки и старения после пайки соплового аппарата повысило уровень механических свойств сплава ЭК61-ИД по сравнению с существующей технологией изготовления соплового аппарата по пределу прочности на 145 МПа или на 12,5%, по пределу текучести на 159 МПа или на 19,5%.

Литература

1. ТУ 14-1-4025-85 «Поковки из никелевых сплавов марок ХН58МБЮД-ИД (ЭК61-ИД), ХН56МБЮД-ВД (ЭК62-ВД)».

2. Лукин В.И., Семёнов В.Н., Старова Л.Л., Сорокин Л.И., Жегина И.П., Голев Е.В., Дмитриев В.В., Недашковский К.И. Образование горячих трещин при сварке жаропрочных сплавов // МиТОМ. 2001. №12. С. 7-10.

3. Лукин В.И., Семёнов В.Н., Старова Л.Л., Морозова Г.И., Жегина И.П., Моисеев Н.В., Голев Е.В., Дмитриев В.В., Козыков Б.А. Структура шва околошовной зоны в никелевых сплавах ЭП202 и ЭК61 // МиТОМ. 2001. №12. С.14-18.

4. Недашковский К.И., Семёнов В.Н., Моисеев Н.В., Трофимов М.М. Исследование влияния режимов изотермической деформации на структуру и свариваемость сплава ЭК61-ИД // Перспективные материалы. Специальный выпуск. 2008. С. 346-350.

Размещено на Allbest.ru