close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Влияние термической обработки на эксплуатационные свойства жаропрочного жаростойкого сплава на основе хрома

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Кубаткин Владимир Сергеевич.
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО
ЖАРОСТОЙКОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ХРОМА
Специальность 05.16.09 – «Материаловедение (машиностроение)»
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2018 г.
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном
учреждение
высшего
образования
«Московский
государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВО
«МГТУ «СТАНКИН»).
Научный руководитель:
кандидат технических наук, зам. ген. директора
ОАО «Композит»
Бутрим Виктор Николаевич
г. Королев, Московская область
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры
Металловедения и физики прочности
Беломытцев Михаил Юрьевич
НИТУ МИСиС, г. Москва
кандидат физико-математических наук, зам.
директора Института качественных сталей
ЦНИИчермет им. И.П.Бардина
Шевакин Александр Федорович
г. Москва
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО МГТУ им.Н.Э.Баумана, г.Москва
Защита диссертации состоится «__» _________ 2018 г. в «____» часов
на заседании диссертационного советаД212.126.03 на базе ФГБОУ ВО
МАДИ по адресу: 125319 Москва, Ленинградский проспект, дом 64
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО МАДИ.
Автореферат разослан «___» _____________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, доцент
Д.С. Фатюхин
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Условия эксплуатации машин, агрегатов, установок в энергетике, в том
числе
ядерной,
транспорте,
нефтехимических
производствах
и
др.
промышленных отраслях характеризуются высокими температурами. Их
работа невозможна без применения жаропрочных материалов, сохраняющих
необходимые свойства при высоких эксплуатационных температурах.
Наиболее высокой жаропрочностью обладают тугоплавкие металлы.
Для ряда деталей, наряду с жаропрочностью, необходимым условием,
является
жаростойкость
-
сопротивление
коррозии
при
высоких
температурах.
Среди тугоплавких металлов хром является уникальным, одновременно
обладающим и жаропрочностью, и жаростойкостью. Сплавам на его основе
также присуще это уникальное сочетание. Особенностью сплавов на основе
хрома является пониженная пластичность, это затрудняет или даже
препятствует их применению в промышленности. Удовлетворительной
пластичностью обладают сплавы только системы «Cr–Ni».
Объектом исследования выбран жаропрочный сплав этой системы
Х65НВФТ (состав, % масс.: Cr – основа; Ni –32; Ti –0,5; V – 0,25; W – 1,5;
примеси, не более: О – 0,08; N – 0,04 Si – 0,1; Al – 0,06; Fe – 0,5; Σ(Al+Si) –
0,2), который в настоящее время используется только после изотермической
выдержки при 900С в течение 16 часов, выполненной после горячей
пластической деформации.
Анализ диаграммы состояния «Cr–Ni» позволяет прогнозировать
возможность изменения структуры и, следовательно, свойств этого сплава
путем термической обработки.
Повышение эксплуатационных свойств сплавов является важной
задачей, ее решение позволяет увеличить температуру и (или) увеличить
срок эксплуатации деталей, работающих при высоких температурах в
агрессивных средах.
Цель работы – улучшение эксплуатационных свойств сплава за счет
повышения кратковременной прочности и жаростойкости путем термической
обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Установить влияние режимов термической обработки на:
- структуру и кратковременные механические свойства сплава;
- механизмы разрушения сплава при 20С и высоких эксплуатационных
температурах;
- механизм и параметры высокотемпературного окисления сплава.
2. Разработать режимы термической обработки для получения различных
сочетаний свойств сплава, оптимальных для разных условий эксплуатации
изделий.
3.Создать методику прогнозирования свойств сплава при тепловой выдержке.
Методы исследования. При выполнении работы использованы
современные методы исследования структуры и свойств материалов:
количественный и качественный металлографический и рентгенофазовый
анализы, микрорентгеноспектральный и электронографический анализы;
определение механических свойств при 20, 800, 900, 1000, 1100 С;
испытания на жаростойкость в условиях термоциклирования в соответствии
с ГОСТ 6130-71.
Научная новизна работы: заключается в
- установлении зависимости кратковременных механических свойств и
характера разрушения сплава, при 20°C и повышенных температурах, от
структуры, формируемой различными режимами термической обработки, и
температуры испытаний;
- установлении количественной зависимости между удельным приростом
массы и временем циклического (в условиях теплосмен) окисления для
сплава Х65НВФТ при 1100°C;
- установлении зависимости строения оксидного слоя от исходной структуры
сплава, сформированной различной термической обработкой;
- установлении возможности прогнозирования свойств сплава системы
«металл - металл» типа твердый раствор замещения в зависимости от
времени и температуры выдержки с использованием параметра Холломона
(Hollomon– Jaffe parameter).
Надежность и достоверность полученных результатов подтверждается
тем, что работа базируется на фундаментальных теориях материаловедения,
разрушения и высокотемпературного окисления металлов и сплавов;
использованием
исследования;
при
выполнении
совпадением
работы
сравнимых
современных
результатов,
методов
полученных
в
настоящем исследовании, с литературными данными. Достоверность
полученных данных также подтверждается статистической обработкой
экспериментальных
данных
и
стойкостными
испытаниями
высокотемпературной термической оснастки.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в формулировке цели исследования, определении
задач, разработке методики экспериментов, выполнении экспериментов и
обработке их результатов.
На защиту выносятся следующие положения и результаты
1. Зависимости типа деформационных кривых и характера разрушения
сплава Х65НВФТ от термической обработки и температуры испытаний (20,
800, 900, 1000 и 1100°C).
2. Взаимосвязь между структурой сплава и величиной прироста массы
оксида на параболической стадии высокотемпературного окисления при
беспористом, плотном оксиде хрома Cr2O3.
3.
Взаимосвязь
между
структурой
сплава
и
интенсивностью
высокотемпературного окисления на линейной стадии окисления при
пористом оксиде хрома Cr2O3.
4. Применимость зависимости Холломона для прогнозирования
свойств сплава Х65НВФТ после тепловой выдержки.
5. Технологии термической обработки для достижения:
- максимальных значений кратковременной прочности;
- минимальной склонности к окисляемости для разной длительности
эксплуатации.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении
взаимосвязей
между
структурой
сплава,
формируемой
различными
режимами термической обработки, и характером разрушения при 20°C и
высоких температурах, а также кинетикой окисления и жаростойкостью при
прерывистом нагреве; возможности применения зависимости Холломона для
сплава типа твердый раствор замещения «металл–металл».
Практическая значимость результатов работы заключается в
повышении
предельных
температур
рациональной
эксплуатации
жаропрочного и жаростойкого сплава на основе хрома Х65НВФТ; в
разработке различных режимов термической обработки, обеспечивающих
максимальную прочность в сочетании с удовлетворительной пластичностью,
а также максимальное сопротивление окислению в зависимости от времени
эксплуатации изделий из сплава (на способ термической обработки,
повышающий сопротивление высокотемпературному окислению получен
патент).
Внедрение результатов работы
На НПК им. Воронина АО «РСК «МиГ» в течение 2016г. проведены
сравнительные испытания оснастки для термической обработки, из сплава
Х65НВФТ и жаростойкой стали 35Х18Н24С2Л. Применение сплава
Х65НВФТ позволило повысить стойкость оснастки более, чем в 1,5 раза.
Рекомендовано изготовить и испытать детали печей, причиной отказа
которых является окисление, из сплава Х65НВФТ.
Апробация работы
Основные
положения
и
результаты
диссертационной
работы
представлены и обсуждены на следующих конференциях:
–X Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников
и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов" (г.
Москва, ИМЕТ РАН РФ, 2013 г.)
– Международных научных чтениях им. чл.-корр. СССР И.А. Одинга
«Механические свойства современных конструкционных материалов» (г.
Москва, ИМЕТ РАН, 2014 г., 2016г.);
– VI международная конференция с элементами научной школы для
молодежи «функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г.
Суздаль, ИМЕТ РАН РФ, 2016г.)
Научно-техническом Совете ОАО КОМПОЗИТ
-
в
полном
объеме
диссертация
заслушана
на
кафедре
«Композиционные материалы» в МГТУ «СТАНКИН»
Публикации:
По теме работы опубликованы 13 работ в российских и зарубежных
научных журналах, сборниках конференций, в том числе 9 статей в
рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и
заключения. Объем диссертации составляет 141 страницу, включая 55
рисунков, 27 таблиц, 4 формулы, 2 приложения и список использованных
источников из 81 наименования.
Основное содержание работы
Во
введении
обоснована
актуальность
настоящей
работы,
показана
востребованность промышленностью материалов, обладающих сочетанием
жаропрочности
и
жаростойкости.
Выбран
объект
исследования,
сформулирована цель работы. Отмечена необходимость исследования
влияния термической обработки на свойства сплава на основе хрома.
В главе 1 проведен анализ условий эксплуатации жаропрочных материалов,
долговременных, кратковременных и комбинированных. Показано:
- работоспособность сплавов при длительной эксплуатации определяют
длительная прочность, предел ползучести, зависящие, главным образом, от
температуры плавления и плотности (КЧ) кристаллической решетки металла
(сплава);
- работоспособность сплавов при кратковременной эксплуатации зависит от
высокотемпературного предела прочности, связанного с температурой
плавления сплава;
-
работоспособность
сплавов
при
термоциклировании
зависит
от
механических и теплофизических свойств сплавов: кратковременного
высокотемпературного
коэффициентов
предела
линейного
прочности,
расширения
и
модуля
Пуассона;
упругости,
тепло-
и
температуропроводности;
Показано, что сплавы на основе хрома являются оптимальными для работы
при кратковременных нагружениях и особенно в условиях прерывистых
температурных нагрузок (термоциклирования).
На основании литературного обзора:
– обоснован объект исследования – жаропрочный и жаростойкий сплав на
основе хрома, выпускаемый отечественной промышленностью, в котором
основным легирующим элементом является никель (принципиально «70%
Cr- 30%Ni»), обладающий технологической пластичностью и, таким образом,
возможностью получать заготовки методами пластической деформации;
– определены задачи исследования.
В главе 2 приведена технология получения объекта исследования,
описание методов изготовления образцов и проведения исследований.
В главе 3 Изучены структуры и механические свойства сплава в
состоянии поставки, а также после термической обработки:
– закалка от температуры 1250С;
– закалка от температуры 1250С и отпуск при температурах 600, 800,
900 С.
В состоянии поставки структура двухфазная, + γ. - фаза – твердый
раствор замещения никеля в хроме с решеткой ОЦК, γ-фаза – твердый
раствор замещения хрома в никеле, с ГЦК – решеткой. Зерна γ-фазы
вытянуты по направлению пластической деформации, а в поперечном
направлении образуют, совместно с -фазой, мелкозернистую структуру.
Закалка от 1250С обеспечивает однофазную () структуру. Зерна –фазы
крупные (условный диаметра (500…700 мкм), имеют полигонизованную
форму с высокоугловой границей 120°.
Такие размеры и формы зерна - фазы наследуются после отпуска.
Структура после отпуска 600°C и более снова становится двухфазной - α+γ,
за счет выделения γ-фазы из пересыщенного твердого раствора, ее
количество и размеры увеличиваются при повышении температуры отпуска.
Рис.1 Микроструктуры образцов: а – в состоянии поставки, б – после закалки 1250С, в –
после закалки и отпуска 900С, 2ч.
Изучен характер разрушения сплава в зависимости от температуры
испытания (при 25, 800, 900, 1000, 1100С) и предшествующей термической
обработки. Экспериментально установлены и объяснены особенности
деформационных кривых; которые ранее не наблюдались для сплавов типа
твердый раствор замещения:
– зубы текучести (рис.2а) при температуре испытаний 25С для
образцов закаленных и закаленных и отпущенных при 600 С. Ранее зубы
текучести только прогнозировались для твердых растворов замещения.
– стадии легкого скольжения (рис.2б) наблюдалось при температуре
испытания 800-1000С. Ранее эта стадия на деформационных кривых
поликристаллов не наблюдалась. Это связано с тем, что структура
закаленного сплава близка к монокристаллической. Для нее характерно очень
крупное зерно (500-700 мкм, т.е. сумма диаметров 4 – 6 зерен равна диаметру
образца) и наличие текстуры.
Рис.2 Деформационные кривые при испытаниях на растяжение
а) закаленного образца при температуре 25С,
б) образца после закалки от 1250С и отпуска при 900С; температура испытания 1000С.
При испытаниях были получены следующие виды изломов:
– хрупкий, транскристаллитный (рис.3а), для всех образцов при температуре
испытания 25С .
– хрупкий, интеркристаллитный (рис.3б), для всех образцов при температуре
испытания 800-1000С.
– вязкий (рис.3в), для всех образцов при температуре испытания 1100С.
Рис.3. Изломы после испытания на растяжение при 20°С(а), при 900С(б), при 1100С (в).
Результаты исследования позволили разработать режимы термической
обработки сплава Х65НВФТ: закалка (1250°C, масло) и отпуск (800 - 900°C,
воздух). При этом, достигается повышение прочности при 800 и 900° C на ~
25% и на 30 - 40% при 1000°C по сравнению со сплавом в состоянии
поставки (табл. 1) и удовлетворительная пластичность (не менее 3-5% при
25°), предотвращающая разрушение при термоциклировании.
Таблица 1.
Предел прочности (σв) и относительное удлинение (δ) при растяжении
сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР в зависимости от режима термической
обработки и температуры испытаний.
Сплав
Термическая
обработка
25
Х65НВФТ
Состояние
поставки
(900C,
16час,
воздух)
Закалка 1250
Закалка
1250+отпуск
600
Закалка
1250+отпуск
800
Закалка
1250+отпуск
900
ХН77ТЮР Закалка
1080+старение
750, 16 час
1050/8
σв, МПа (числитель); δ,% (знаменатель)
при температуре, С
500
800
900
1000
1100
–
520/12
360
850/–
580/8,2
-
1200/3,0
540/8.9
1500/8,2
620/15,3 420/17,3 280/17,6 140/32,2
1400/9,4
640/14,6 430/18,0 260/22,6 135/43,3
1000/16
880/25,0
600/24
200/45
85/160
270/18,1 130/28,9
410/16,7 280/18,6 140/30,6
380/26
110/80
48/153
Скачкообразный рост δ происходит при ~ 1000°С и 1100°С,
соответственно, для сплава в состоянии поставки и закаленного и
отпущенного. Это определяет возможность эксплуатации сплава Х65НВФТ в
состоянии поставки только до ~ 900°С, а после упрочняющей обработки на
100°С выше – до 1000°С. При более высоких температурах сплав «течет», это
не допустимо при эксплуатации.
Сравнительный анализ свойств сплавов Х65НВФТ и ХН77ТЮР показал
более высокую кратковременную прочность сплава на основе хрома (см.
табл. 1), обладающего более высокой жаростойкостью (показано в главе 4).
Это, наряду с лучшим сопротивлением теплосменам (обосновано в главе 1),
доказывает
перспективность
использования
сплава
Х65НВФТ
при
кратковременных нагружениях, и особенно в условиях теплосмен и/или
агрессивных сред.
В работе доказана возможность прогнозирования свойств сплава типа
твердых растворов замещения «металл–металл» при тепловой выдержке, с
помощью параметра Холломона (Hollomon – Jaffe parametr) (ранее
применялся только для сталей),
H=T(C+lgτ)/1000 ,
(1)
где Н – параметр Холломона, T – температура, °К; τ – время выдержки, час;
C – константа, зависящая от свойств материала.
Разработана методика определения параметров зависимости Холломона.
Такой прогноз оценки времени сохранения свойств при заданной
температуре, , актуален для сплава Х65НВФТ, подвергнутого закалке и
отпуску, т.е. находящемся в неравновесном состоянии.
В главе 4 исследован механизм окисления сплава Х65НВФТ, а также
влияния структуры на жаростойкость.
Испытания производили при 1100°C в условиях термоциклирования,
взвешивание осуществляли через каждые 12 ч после охлаждения с печью.
Это определило жесткость испытаний, т.к. термоциклирование увеличивает
скорости коррозии вследствие объемных изменений при нагреве и
охлаждении, приводящих к разрушению оксидной пленки.
Жаростойкость оценивали удельным привесом (m/S) от времени
окисления образцов сплава Х65НВФТ с разной и исходной (до окисления)
структурой, а также сплава ХН77ТЮР после закалки 1080С (воздух) +
старение 750° (рис.4).
Рис. 4. Окисление сплава Х65НВФТ в зависимости от термической обработки и сплава
ХН77ТЮР.
Все
полученные
зависимости
аппроксимируются
линейными
уравнениями:
m/S=k+b
(2),
где  - время окисления; k и b – параметры, зависящие от
предшествующей (перед окислением) термической обработки сплава и,
таким образом, структуры сплава для Х65НВФТ; для сплава ХН77ТЮР
использован только один (стандартный) режим термической обработки.
Во всех случаях значения коэффициента корреляции (R2) не менее 0,98.
Линейные зависимости не являются верными для всего времени окисления.
Так, при  = 0, должно соблюдаться равенство m/S = 0 (окисления еще нет),
но это не согласуется с уравнением (2): при  = 0, m/S = b ≠ 0.
Начальную
(неизученную
нами,
и
имеющую
незначительное
практическое значение) стадию окисления можно, в соответствии с
литературными
данными
сплошного оксида.
считать
параболической,
характерной
для
Численные значения параметра «b» соответствуют точке, полученной
на оси ординат в результате экстраполяции линейной зависимости
(уравнение 2) до пересечения с этой осью ( = 0), при этом b> 0. Параметр b
качественно характеризует величину привеса, полученного на стадии
«параболического окисления», чем больше величина b, тем больше оксида
образуется на этой стадии, до установления линейного изменения скорости
окисления
Линейная зависимость характерна для несплошного оксида, не
препятствующего
воздействию
кислорода
на
открытую
и
поэтому
подверженную окислению поверхность металла. Параметр «k» в уравнении 2
характеризует скорость окисления сплава.
В настоящей работе для конкретных сплавов и определенных условий
окисления, во-первых, установлены количественные зависимости скорости
окисления от внешних условий и, во-вторых, показано качественное влияние
исходной структуры на параметры k и b этих зависимостей
Кроме того, установлено значительное преимущество жаростойкости
сплава Х65НВФТ на основе хрома (70% Cr -30% Ni) при всех режимах
термической обработки перед сплавом ХН77ТЮР на основе никеля (77%Ni 23%Cr).
Поверхностный слой всех образцов сплава Х65НВФТ после 36-ти
часового окисления при 1100°C имеет следующую структуру (рис.5):
1. Внешняя часть слоя – это окалина тёмного, серо-зелёного цвета,
содержащая большое количество пор на поверхности, количество которых
уменьшается по мере удаления от поверхности (слой 1).
2. Внутренняя часть слоя (слой 3) – это металлический подслой со
структурой, зависящей от предшествующей термической обработки и
отличающейся от структуры сердцевины
3. Переходная зона (слой 2) – располагающаяся между окалиной и подслоем,
в ней присутствуют все структурные составляющие: окалина, поры и
элементы подслоя.
4. Основной металл.
При
принципиально
одинаковой
структуре
подслоя
его
зоны
различается толщиной и степенью пористости оксида, толщинами подслоя и
переходного
слоя
в
зависимости
от
структуры,
сформированной
предшествующей термической обработкой сплава.
Рис. 5 Микроструктура оксидных слоёв сплава Х65НВФТ:
1 - слой окалины (Cr2O3) с порами; 2 - переходная зона; 3 - подслой; 4 - сердцевина
(основной металл)
Оксид для всех образцов, независимо от предшествующей термической
обработки, это оксида хрома (III) - Cr2O3.
Поры располагаются в оксиде, их количество велико на поверхности и
быстро убывает по глубине оксидного слоя. Наличие пор в оксиде
определяет возможность проникновения кислорода к поверхности металла и
меняет первоначальную, параболическую зависимость относительного
привеса от времени на линейную, которая наблюдалось в наших
экспериментах.
Подслой играет важную роль в механизме окисления. Оксид хрома
является полупроводником «p – типа», с недостатком металла. Для таких
оксидов реакция окисления протекает за счет диффузии катионов (ионов
хрома) к границе раздела «металл - оксид», т.е. через подслой.
Для образцов, имеющих исходно двухфазную + структуру, т.е.
отожженного, подвергнутых закалке и отпуску, в состоянии поставки
подслой представляет собой только -фазу с ГЦК – решёткой.
В закалённом образце (т.е. имеющим исходно однофазную структуру)
подслой, наряду с -фазой, содержит интерметаллид Cr3Ni2 (до 10% объёмн.).
На «параболической» стадии окисления, при беспористом, сплошном
оксиде скорость окисления определяется только диффузией хрома к границе
раздела «газ–оксид». Ионы хрома диффундируют к оксиду от основы сплава
через подслой, т.е. через -фазу. Скорость диффузии, таким образом, зависит
от скорости образования подслоя, формирующегося в процессе окисления и
она тем меньше, чем быстрее формируется подслой. Замедленнее диффузии
связано с разным типом кристаллических решеток фаз сплава. Решетка α фазы на основе хрома - ОЦК (К8); γ- фазы с решеткой ГЦК (К12). Значения
предэкспоненциальных (Do) члена в уравнении диффузии (D=D0e–Q/RT) для α
–фазы примерно на три порядка больше, чем у -фазы.
Формирование подслоя ( -фазы), можно представить следующим
образом.
Располагаясь
примыкающая
к
непосредственно
оксиду,
при
за
окислении
окалиной
обедняется
часть
сплава,
хромом,
что
подтверждено нашими исследованиями.
Периоды решётки -фазы у сплава, имеющего исходно двухфазную
структуру (в состоянии поставки, отожженный, закаленный и отпущенный),
до окисления и после окисления близки (~0,358(5)нм). Это означает, что
хром диффундирует не из -фазы, а из богатой хромом -фазы. При этом в
соответствии
с
диаграммой
состояния
«Ni - Cr»
количество
-фазы
уменьшается вплоть до ее полного исчезновения (отрезок коноды «ab»→0,
рис. 6) и образования структуры, состоящей на 100% из - фазы. Это
достигается, когда содержание хрома в подслое соответствует его
растворимости в -фазе, т.е. ~ 45% ат. После этого диффузия хрома
определяется скоростью только в «медленной» фазе, параболическая стадия
окисления переходит в линейную.
Рис.6 Диаграмма состояния «Ni-Cr». Стрелкой показано изменение количественного
соотношения между  и  фазами.
Поскольку скорость диффузии зависит от скорости образования
подслоя, то чем быстрее сплошной подслой -фазы, тем меньше будет
величина
привеса
на
стадии
«параболического
окисления»,
и,
соответственно, параметр b в уравнении (3).
При превращениях, происходящих в сплавах в твёрдом состоянии,
новая фаза зарождается преимущественно на границах зёрен и её количество
растёт тем быстрее, чем больше протяженность границ, что характерно для
мелкозернистых структур. Следовательно, меньшее значение параметра b
должно быть у сплава с мелкозернистой структурой. Среди сплавов,
имеющих в исходном состоянии двухфазную структуру, самое мелкое зерно
у сплава в состоянии поставки (b=9,312). Затем, по мере увеличения размеров
зерна: закаленный и отпущенный при 900°C (b=11,531), закаленный и
отпущенный при 1100°C (b=14,426): и наиболее крупнозернистая структура у
отожженного (b=20,042).
Подслой закаленного образца формируется иначе. При нагреве до
1100°C
одновременно
с
окислением
сплава
происходит
распад
пересыщенного -твёрдого раствора с выделением на первом этапе
дисперсной -фазы (размер частиц менее 2 мкм), обладающей большой
поверхностью раздела. Это определяет быстрое формирование сплошной
пленки (значение b для закалённого образца минимально – 7,9835) и
способствует образованию метастабильной фазы – интерметаллида Cr3Ni2.
Его наличие в подслое закалённого образца приводит к более высокому, чем
у однофазного подслоя, характерного для прочих исходных структур,
содержанию в нем хрома, т.е. меньший градиент концентрации хрома между
основным металлом и подслоем, что, соответствии с первым законом Фика,
приводит к замедлению диффузии.
На «линейной» стадии, при несплошном, пористом оксиде, окисление
происходит в результате протекания химических реакций на границах
раздела фаз: «оксид-газ» и «пора-подслой». Скорость окисления сплава
определяется одновременно протекающей разнонаправленной диффузией:
1) хрома через поверхность «подслой - оксид» в направлении поверхности
«оксид-газ»;
2) кислорода через поры окалины в направлении поверхности «пораподслой».
Диффузия хрома развивается наименее интенсивно для закаленного
сплава, а наиболее интенсивно у отожженного. Однако, значение параметра
«k» и, таким образом, скорость окисления минимальны у отожженного. Это
может быть объяснено только минимальной скоростью диффузии кислорода
для отожженного сплава, которая зависит от пористости оксида, т.к. через
поры осуществляется «доставка» кислорода к подслою. Количество
кислорода, проходящего сквозь окалину и, таким образом, параметр «k», тем
больше, чем больше площадь поверхности раздела «пора-оксид». Больший
объем, и таким образом, большую поверхность раздела, имеют поры в
оксиде, имеющем меньшую плотность (определяется отношением привеса к
толщине окалины). И наоборот, большая плотность окалины определяет ее
меньшую пористость.
Плотность окалины максимальна для отожжённого образца. Именно это
определяет
минимальную
скорость
окисления
крупнозернистого
отожженного сплава на «линейной» стадии. Параметр «k» для такой
структуры в 1,6 – 2,3 раза меньше, чем у сплава с отличными структурами.
Параметры «k и b» уравнения (2) позволяет дать определенные
рекомендации по выбору термической обработки в зависимости от
предполагаемого
времени
эксплуатации
изделия.
Так
при
времени
эксплуатации до 70 час минимальное окисление характерно для закаленного
состояния, более ~ 130 часов - для отожженного состояния.
Основные выводы по работе
1. При испытании на кратковременную прочность сплава в результате
анализа деформационных кривых установлены условия возникновения
различных стадий деформационного упрочнения в зависимости от
температуры испытаний и режима термической обработки:
– зубы пластичности на кривых растяжения возникают в испытаниях при
20С закаленных, а также закаленных и отпущенных при 600С образцов.
– легкое скольжение на кривых растяжения, возникающее в испытаниях
при 800, 900 и 1000С для всех термически обработанных образцов,
определяется
их
структурой,
близкой
к
монокристаллической
и
характеризующейся весьма крупным зерном и наличием текстуры.
2. Установлены температуры рациональной эксплуатации сплава, 800–900С,
ограниченные возникновением высокой склонности к пластической
деформации, недопустимой при эксплуатации.
3. Разработаны
режимы
термической
обработки
сплава
Х65НВФТ,
позволяющие, по сравнению со сплавом в состоянии поставки, повысить
на 25% прочность во всем диапазоне исследованных температур, а также
повысить температуру эксплуатации .
4. Установлена корректность зависимости Холломона для твердых растворов
замещения типа «металл–металл», в которых изменения структуры и
свойств
при
варьировании
температурой
и
временем
выдержки
определяются диффузией атомов металла. Это позволяет прогнозировать
свойства сплава в неравновесном состоянии при тепловой выдержке.
Разработана методика определения параметров зависимости Холломона.
5. Установлено, что строение оксидного поверхностного слоя зависит от
исходной структуры сплава.
6. Установлена количественная линейная зависимость между относительным
приростом массы и временем окисления для сплава Х65НВФТ при 1100°C.
7. Минимальная величина окалины в первоначальный, параболический
период окисления, достигается для сплава с мелкозернистой - фазой.
8. Принципиальное отличие механизма окисления закаленного сплава с
исходно однофазной структурой, от сплавов с исходно двухфазной
структурой, объяснено меньшим градиентом концентрации хрома между
подслоем и основой сплава за счет образования в подслое интерметаллида
Cr3Ni2.
9. Минимальная скорость окисления на линейной стадии характерна для
крупнозернистой
структуры,
формируемой
высокотемпературным
отжигом.
10.Разработана технологии термической обработки для сплава Х65НВФТ,
обеспечивающая максимальную стойкость к окислению для заданного
времени
эксплуатации
изделия,
подтвержденная
испытаниями
высокотемпературной термической оснастки.
Основные публикации по теме диссертации
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и зарубежных журналах.
1. В.С. Кубаткин, В.Н. Бутрим, , А.М. Адаскин, И.Ю. Сапронов . Влияние
структуры на жаростойкость жаропрочного сплава на основе хрома.
//Вестник МГТУ «Станкин».2014. №4 (31)– С. 80-84
2. В.С. Кубаткин, В.Н. Бутрим, , А.М. Адаскин, И.Ю. Сапронов, Кремнев Л.С.
Определение константы Холломона для жаропрочного сплава на основе
хрома с целью прогнозирования его свойств.// МиТОМ. 2015, №10– С.34-38
3. В.С. Кубаткин, В.Н. Бутрим, , А.М. Адаскин, И.Ю. Сапронов. Кривые
деформационного упрочнения и механические свойства жаропрочного
сплава на основе хрома в зависимости от термической обработки и
температуры испытаний.// МиТОМ. 2015, №10 – С.50-56.
4. V.S. Kubatkin, A.M.Adaskin, V.N. Butrim, L. S. Kremnev, I. Yu. Sapronov.
Determination of the Hollomon Parameter for a Chromium-Base Refractory Alloy
with the Aim of Predicting its Properties.//Metal Science and Heat Treatment.
January 2016, Volume 57, Issue 9. First online: 09 February 2016– PP.610-613.
5. V.S. Kubatkin, A.M.Adaskin, V.N. Butrim, I. Yu. Sapronov. Strain Hardening
Curves and Mechanical Properties of a Chromium-Base Refractory Alloy as a
Function of Heat Treatment and Test Temperature. //Metal Science and Heat
Treatment. January 2016, Volume 57, Issue 9. First online: 25 January 2016–
PP.625-631.
6. В.С. Кубаткин, В.Н. Бутрим, , А.М. Адаскин, И.Ю. Сапронов. Влияние
структуры и температуры испытаний на виды изломов жаропрочного сплава
//Вестник МГТУ «Станкин».2016. № 4– С.25-29
7. В. С. Кубаткин А. М. Адаскин, В. Н. Бутрим, , И. Ю. Сапронов. Влияние
режима термической обработки на жаростойкость сплава на основе хрома
при
высокотемпературном
окислении
на
воздухе
//Вопросы
материаловедения, 2016, №4 (88), с.18–29.
Публикации в сборниках трудов конференций.
8. В.С.
Кубаткин.
Влияние
температуры
закалки
на
жаростойкость
жаропрочного сплава на основе хрома — Х65НВФТ.// X Российская
ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов
"Физико-химия и технология неорганических материалов" . Сборник
материалов. – М. ИМЕТ РАН, 2013г. С.42-44.
9. В.С. Кубаткин. Деформационные кривые сплава на основе хрома.//
Международные научные чтения им. чл.-корр. СССР И.А. Одинга
«Механические свойства современных конструкционных материалов».
Сборник материалов. –М. ИМЕТ РАН, 2014г. С.164-166.
10.В.С. Кубаткин, В.Н. Бутрим, , А.М. Адаскин, И.Ю. Сапронов. Особенности
разрушения
двухфазного
хромо-никелевого
сплава.
//Международные
научные чтения им. чл.-корр. СССР И.А. Одинга «Механические свойства
современных конструкционных материалов». Сборник материалов. –М.
ИМЕТ РАН, 2014г. С.75-76.
11. В.С. Кубаткин, В.Н. Бутрим, А.М. Адаскин, И.Ю. Сапронов. Влияние
режимов термической обработки на жаростойкость двухфазного хромоникелевого сплава.// VI Международная конференция с элементами научной
школы для молодежи «ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ И
ВЫСОКОЧИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА». Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН,
2016. С.77-78
Прочие публикации
12.В.С. Кубаткин, В.Н. Бутрим, , А.М. Адаскин, И.Ю. Сапронов. Динамическое
деформационное старение при деформировании сплава на основе хрома//
МЕЖДУНАРОДНЫЙ
СОЮЗ
УЧЕНЫХ
«НАУКА.
ТЕХНОЛОГИИ.
ПРОИЗВОДСТВО». 2014. №3, –С.119-122.
Полученные патенты на изобретения
13.Патент РФ на изобретение № 2515145 от 12.03.2014. Способ термической
обработки жаропрочного и жаростойкого сплава Х65НВФТ. Авторы:
Адаскин А.М., Бутрим В.Н., Каширцев В.В., Каширцев В.Н., Сапронов И.Ю.,
Кубаткин В.С.
Кубаткин Владимир Сергеевич
Влияние термической обработки на эксплуатационные свойства жаропрочного жаростойкого сплава на
основе хрома.
Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата техн. наук.
Подписано в печать
. Заказ №_______
Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.
Типография
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
997 Кб
Теги
эксплуатационной, сплави, влияние, жаропрочного, свойства, жаростойкого, основы, термические, обработка, хром
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа