Введение к работе
Актуальность работы. В на стоящий период развитию и внедрению в промышленности новых технологий нередко препятствует отсутствие материалов, способных работать в экстремальных условиях: высокие и низкие температуры, агрессивные среды, большие нагрузки. Исходя иэ этого перспективным является создание конструкционных материалов, характеризующихся повышенной жаропрочностью, ааростойкостыэ, коррозионной стойкостью. Га мши свойствами обладают сплавы на основе тугоплавких металлов, в частности на основе хрома. Благодаря высоким значениям температури плавления, модуля упругости и стойкости к окислению, низкому коэффициенту термического расширения и широкому распространению в природе хром привлекает большое внимание разработчиков конструкционных материалов. Однако высокое сродство хрома к элементам внедрения, которые дазэ в незначительной количестве охрупчпвают хром, обусловливает необходимость максимально возмоаной очистки металла от примесей внедрения путей рафинирующего легирования высокоактивными элементами.
Следует отметить, что в настоящее время разработаны способы получения сплавов хрома с температурой хладноломкости до -Ю0С, однако в промышленном масштабе эти способы до сих пор не реализованы. Наиболее перспективно применение сплавов хрома в качестве каропрочного материала при высоких температурах. Реальными методами повышения жаропрочности хрома являются твердорасг-ворное упрочнение и упрочнение пугзы введения частиц дисперсных и стабильных фаз внедрения: карбидов, нитридов, окислов. При этом перед разработчиками сплавов возникает ряд проблем: выбор и поиск способа введения упрочняющей фазы, обеспечивающей оптимальные прочностные и пластические свойства материала, поскольку известно, что эксплуатационные свойства сплавов определяются фазовым составом и структурным состоянием, зависящими во многом от технологии получения. Вопросам упрочнения хрома дисперсными частицами карбидов и боридов уделяется достаточно много внимания со стороны исследователей, чего нельзя сказать о нитридном упрочнении. Известно, что азог является вредной примесью в хроме, приводящей к охрупчиванйю металла. Однако легирование хрома азотом совместно о активными по отношению к азоту металлами может быть достаточно эффективным благодаря протеканию одновременно двух процессов: рафинированию хрома от азота и упрочнению сплава дис-
персными нитридными частицами.
В последние года внимание исследователей направлено на создание эвтектических композиций на основе хромовых сплавов о целью получения новых жаропрочных литейных сплавов и направленно закристаллизованных материалов. В этой плане особый интерес представляют системы типа Сі—Ме-Х, где X - элемент внедрения, Me -легирующий металл, образующий с X фазу внедрения Ие„Х, более термодинамически стабильную, чем соединение хрома с этим ке эле-иевтом внедрения. Они характеризуются наличием на диаграммах состояния квазидвойнах разрезов типа <* -Сг-Ме„Х, где d-Gr -твердый раствор на основе хрома. В этих системах в зависимости от объемной доли упрочняющей фазы можно получить сплавы различного уровня каропрочносги. Помимо этого, благодаря температурной зависимости растворимости фазы внедрения в хроме, путем термической обработки мокно добиться дополнительного дисперсионного упрочнения сплавов.
Очевидно, что необходимым этапом в процессе решения проблем, возникающих при разработке конструкционных материалов на хромовой основе, являегся изучение фазовых равновесий в системах хром-легирующий металл-элемент внедрения s широких температурной и концентрационной интервалах. Это позволяет определить области составов и температур, в пределах которых разрабатываемые сплавы могут обладать необходимыми механическими и физическими свойствами. При этом целесообразно сочетать экспериментальные и расчетные метода построения диаграмм состояния, что в значительной степени ускоряет проведение исследований и позволяет проанализировать те области диаграммы состояния, получение сплавов в которых ограничено техническими возможностями.
Достижение высокой прочности сплавов в реалышх условиях эксплуатации - сложная задача и на практике ее необходимо решать с помощью различных методов. Основными из них являются: I) при-, менение комбинированных методов термообработки сплавов; 2) создание композиционных материалов; 3) использование не только пластичных металлических сплавов, но и хрупких соединений.
С учетом изложенного были сформулированы цель работы и основные задачи исследования.
Цель рэбогы; изучение закономерностей формирования структуры и прочностных свойств, особенностей образования и поведения упрочняющих фаз сплавов на основе хрома с нигридным упрочнением
в зависииосга ог сосгава и термической обработки.
Основные задачи исследования.
-
Изучение фазовых равновесий в системах Cr-v-tf и О-АС-Н в широком температурном и концентрационной интервале.
-
Исследование термодинамических свойств сплавов систем Cf-N и \/-|/ при сочетании расчеглых и эксперииенгальных методик.
-
Изучение особенностей упрочнения хромовых сплавов дисперсными нитрлдными частицами.
'і. Установление закономерностей формирования структуры в сплавах хрома с нигридныы упрочнением в зависимости от состава и температуры.
Научная новизна.
1. Изучены фазовые равновесия в системах Cr-V-*/ и Cc-AZ-Ы,
характеризующихся различными типами диаграмм состояния. Исследовано влияние алюминия на растворимость азота в хроме.
-
Обобщены имеющиеся литературные данные о взаимодействии хрома с азогсы и посгроена диаграмма сосгояная Сґ-ti при давлении азога 98,1 кПа. Изучены морфологические особенности формирования эвтектической структуры в сплавах хром-азот.
-
На основании экспериментальных данных по фазовым равновесиям в системе Cr-V-rt и имеющимся литературным данным по термодинамике ограничивающих бинарных систем уточнены концентрационные и температурные зависимости свободных энергий образова- ния V2A/ и VN .
-
Усгановлено, что в сплавах систем, характеризующихся широкими двухфазными областями (Cr-V-N), происходит изменение состава равновесных фаз при іермообработке.
5. Определено положение часгично-нвазидвойного разреза
d-Cc-AtN в системе O-At-N , изучено влияние температуры и
легирования на морфологию эвтектической составляющей сплавов.
6. Изучен механизм упрочнения сплавов системы Cf-V-A/
дисперсными нигридныыи частицами'.
Научная и практическая ценность.
Полученные в работе введения о строении диаграмм состояния
- k -
Cr-N, Cr-V-M , Cr-Al-N и фазовых равновесиях в них представляют собой ценный базовый материал для разработки новых жаропрочных сплавов на хромовой основе. Гак, в системе О-у-а/ выделена область составов (4-6 $ ai.V ) и температур (80О-ІОО0С), з которой происходит значительное повышение твердости сплавов.
Найденная в системе Сг-Лг-А/ область эвтектических сплавов служит основой при дальнейшей разработке слокнолегированннх материалов. Полученные данные о влиянии ванадия и алюминия на константу равновесия реакции растворения азота в кидком хроме позволяют контролировать процесс насыщения азотом сплавов хрома с этими элементами при их получении путем кристаллизации из расплава.
Полученные данные о влиянии легирования алюминием на растворимость азота в хроме позволяют выделить области составов перспективные для создания дисперсионноупрочненных сплавов, а также литейных сплавов, характеризующихся в широком температурном интервале стабильной структурой.
Представляет интерес обнаруженное в работе явление замедления процесса распада и коалвсценцки нитридиых частиц в сплавах Zr-H при легировании их ванадием, что проявляется в значительном упрочнении сплавов Сг—V -Ы . Этот эффект монет быть использован при легировании ванадием разрабатываемых каропрочных сплэ-вов хрома.
Б работе изучены морфологические особенности структуры эв-тектин в сплавах О-г/ и Сг-А-л/ , что позволило определить зависимость структуры эвтектик от условий затвердевания и состава. Установлено, что легирование эвтектических сплавов Cr-A-N небольшим количеством циркония (до 0,2 % аг.) положительно сказывается на структуре эвтектики, повышая ее регулярность. На основании этого эвтектические сплавы Cr-M-Zi*-H могут быть предлоае-ны для направленной кристаллизации.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.
І. В двухфазной ("t+/> )- области диаграммы состояния Сг—V-A/ существует интервал составов, в пределах которого концентрация ванадия в равновесном нитриде (0,V)2p/ заметно превосходит концентрацию ванадия в.твердом растворе. В результате этого скорость зарождения и роста нитридных частиц контролируется диффузией ванадия, в не азота, как это имеет место в сплавах
_ 5 -
Сг-^, что приводні к формированию при высокотемпературном распаде структурного состояния, характеризуемого литридныни частицами о высокой степенью дисперсности.
2. На диаграмме состояния системы O-M-N существует квазидвойной разрез эвтектического типа Сг0 935*е0 065" А" ог~ лосительно высокой объемной долей (13,'t fo об.) упрочняющей фазы в эвтектике. Формирование скелетной эвтектики и возможности управления ее морфологией путем дополнительного легирования позволяет вести на базе этой системи разработку литейных жаропрочных эвтектических сплавов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
III и ІУ Всесоюзных школах-семинарах "Диаграммы состояния в материаловедении" (Одесса 1986 г., 1990 г.). У Всесоюзном совещании "Термодинамика металличеоких сплавов" (Москва, Старая Руза, 1985 г.). Всесоюзных конференциях "XpoM-SB", "Хром-91".
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в В Печатных работах, список которых приведен в конце автореферата, и двух отчетах по НИР (ДСП).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Б диссертации содержится страниц, таблиц - 13, рисунков -.7+9, 124 ссылки яэ роботи советских и-ззрубезишх авторов.
