Введение к работе
Актуальность работы. Никелевые сплавы различной степени легированно-сти находят применение при изготовлении литых заготовок во многих отраслях промышленности. Из них изготавливают детали газотурбинных двигателей, инструмент горячего деформирования, детали и узлы установок высокотемпературной переработки нефти и др. Эти сплавы склонны к транскристаллическому строению, разнозернистости, образованию карбидных и эвтектических фаз, высокой структурной и химической неоднородности. Вследствие этого механические и служебные свойства литого металла заготовок из этих сплавов часто находятся ниже уровня, требуемого техническими условиями, и уступают свойствам поковок. Поэтому проблема повышения свойств материалов изделий, обеспечивающих более высокую надежность и долговечность изготовленных из них узлов и агрегатов машин, устройств и механизмов, актуальна.
Исследования последних лет как у нас в стране, так и за рубежом, направленные на повышение качества литого металла, привели к разработке новых методов воздействия на металл в процессе его кристаллизации, одним из которых является модифицирование. Особенно значительные успехи в области управления кристаллическим строением литого металла были достигнуты при использовании суспензионного метода модифицирования, разработке которого посвящены труды Ю.З. Бабаскина, С.С. Затуловского, М.Х. Шоршорова, Е.Н. Каблова, В.Б. Федорова и др. В тоже время, несмотря на целый ряд преимуществ этого метода, он имеет и недостатки, обуславливающие невысокую эффективность процесса модифицирования. Она может быть существенно повышена за счет введения в металл тугоплавких частиц - инокуляторов с заранее выбранными необходимыми свойствами, в частности, ультрадисперсных порошков (УДП), получаемых плазмохимическим синтезом. В этом направлении серьезные исследования проведены В.П. Сабуровым, А.Н. Черепановым, М.Р. Предтеченским, М.Ф. Жуковым, В.А. Полубояро-вым, В.Н. Чеченцевым, A.M. Микитасем, О.Х. Фаткулиным, Е.Н. Ереминым. Этими авторами определены основополагающие принципы инокулирующего процесса модифицирования, базирующиеся на моделях строения расплавов, зарождения центров кристаллизации в объёме адсорбированного слоя, роста дендритов в неоднородном концентрационном и температурном полях.
В тоже время, остались слабоизученными некоторые проблемы методологии процесса модифицирования. Очень мало сведений, посвященных изучению свойств порошков плазмохимического синтеза, используемых для модифицирования, и возможностям улучшения их характеристик. Практически отсутствуют сведения о технологиях подготовки дисперсных частиц и их ввода. Недостаточно изучены особенности кристаллизационных процессов, процессов образования упрочняющих фаз, изменение их топографии и морфологии при модифицировании. Поэтому исследования в этой области являются, безусловно, актуальными, имеющими как научное, так и прикладное значение.
Цель диссертационной работы - разработка методологических основ комплексного модифицирования никелевых сплавов ультрадисперсными инокулято-рами синтетических тугоплавких соединений совместно с активирующими добавками, обеспечивающего повышение качества литого металла заготовок.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать особенности процесса зарождения центров кристаллизации на тугоплавких ультрадисперсных синтетических частицах и их модифицирующее воздействие на расплав.
-
Обосновать выбор компонентов и предложить состав модифицирующего комплекса для обработки сплавов на основе никеля.
-
Разработать способы приготовления модифицирующего комплекса и введения его в расплав.
-
Исследовать воздействие модифицирования на ликвацию легирующих элементов в никелевом сплаве.
-
Исследовать влияние модифицирования на кинетику кристаллизации никелевого сплава.
-
Установить закономерности формирования структуры, образования карбидов и у'-фазы, изменения механических и эксплутационных свойств никелевых сплавов при использовании модифицирования инокуляторами в комплексе с активирующими добавками.
На защиту выносятся:
-
Результаты предварительной подготовки порошков комплексного модификатора.
-
Закономерности совместного влияния карбонитрида титана, титана и иттрия на структуру и свойства никелевых сплавов.
-
Закономерности кинетики кристаллизационных процессов в модифицированном металле.
-
Механизмы процессов, протекающих в модифицированном сплаве и обусловливающих повышение его физико-механических свойств.
Научная новизна
Показано, что предварительная подготовка порошков комплексного модификатора, включающая их высокотемпературную ультразвуковую обработку в расплаве галогенидов, обеспечивает активирование частиц и повышает их дисперсность более чем в четыре раза, стабильность размеров в семь раз, а количество частиц наноразмерного уровня увеличивает в восемь раз.
Обосновано применение комплексного модификатора для никелевых сплавов, содержащего ультрадисперсные частицы карбонитрида титана, титана и иттрия в соотношении 1:10:1.
Показано, что в результате модифицирования дисперсность дендритной структуры никелевых сплавов увеличивается в 2-3 раза, а ликвация Ті и Nb уменьшается в 1,6-1,8 раза. Выявлено, что в частицах у'-фазы наряду с А1 и Ті возрастает концентрация Со, Ni, Сг, в то время как в межчастичных пространствах их концентрация уменьшается.
Установлено, что влияние комплексного модификатора на кристаллизационные процессы заключается в уменьшении интервала кристаллизации на 18 С, увеличении темпа кристаллизации в начальный период, смещении момента начала выделения карбидов в более высокую температурную область, повышении температуры начала выделения упрочняющей у'-фазы.
Показано, что модифицирование никелевых сплавов ультрадисперсными активированными тугоплавкими частицами уменьшает разнозернистость структуры, предотвращает образование столбчатых зерен, обеспечивает измельчение эвтектики у - у', изменение морфологии и топографии карбидной фазы, увеличение дисперсности, количества и структурной стабильности у'-фазы, что приводит к повышению физико-механических свойств литого металла.
Практическая значимость полученных результатов
Обоснован выбор состава комплексного модификатора.
Предложены методы изготовления модифицирующего комплекса и его введения в расплав.
Результаты работы приняты к использованию на предприятии ООО «Сиблит-пром» для решения задач повышения качества литых изделий при изготовлении высокотемпературных деталей печей пиролиза нефти.
Материалы работы использованы в учебном процессе ОмГТУ.
Достоверность результатов
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены с применением современного аналитического и технологического оборудования, характеризующегося высокой надежностью методик и точностью измерений. Взаимодополняющие методы исследований структуры и механических свойств подкреплены статистической обработкой полученных данных. Полученные результаты соответствуют современным представлениям о механизмах кристаллизации и модифицирования металлических материалов и подтверждены их практическим использованием в производстве.
Личный вклад автора состоит в постановке целей и задач диссертационной работы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке и сопоставлении полученных результатов с литературными данными и формулировании выводов.
Объекты и методы исследований. Никелевые сплавы различной степени легированное - Х10Н60К10В10Ю5ТЗМ2Б, ХН67ВМТЮ, ХН77ТЮР, модифицированные частицами тугоплавких соединений.
Для измерения удельной поверхности частиц модификатора использовали прибор «Сорбтометр». Для определения дисперсности частиц применяли лазерный анализатор SALD-2101. Химический анализ выполняли на оптико-эмиссионных анализаторах ARG-MET-930SP фирмы Metorex и ДФС-500 (ОКБ «Спектр»). Металлографические исследования осуществлялись на оптическом микроскопе Carl Zeiss АХЮ Imager Aim и анализаторе фрагментов микроструктур на базе микроскопа Olympus GX-41. Для анализа фрактограмм применялся растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO50 с рентгеновским микроанализатором EDS X-Act (Oxford Instruments). Микроструктура поверхности и подповерхностных областей исследовались на двухлучевом электронном сканирующем микроскопе FEI Versa 3D с выполнением резки сильноточным сфокусированным ионным пучком. Для изучения тонкой структуры использовались методики просвечивающей электронной микроскопии на ПЭМ JEOL JEM - 2100. Определение качественного элементного состава проводилось методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа (РСФА) на волнодисперсионном спектрометре ОРТГМ'Х ARL. Термический анализ
проводился с использованием приборов NETZSCH STA449C, SHLMADZU DTG-60, NETZSCH STA409 PC. Исследования изменений в зеренной структуре литого сплава методом атомно-силовой микроскопии проводились на сканирующем зондовом микроскопе Solver Pro (NT-MDT, Россия).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 16 Международных (Екатеринбург 2007, Томск 2008, 2013, Красноярск 2008, Киев 2011, 2012, 2013, Донецк 2010, Омск 2005, 2006, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012, Комсомольск-на-Амуре 2013), 6 Всероссийских, а также 4 Региональных, отраслевых научных конференциях и семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 работы, в том числе 12 работ в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 177 страниц текста, 76 рисунков, 32 таблицы. Библиографический список включает 163 наименования.
