Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
INNOWACYJNA GOSPODARKANARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŒCI
UNIA EUROPEJSKAEUROPEJSKI FUNDUSZ
ROZWOJU REGIONALNEGO
Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem modyfikowania nanocz¹stkami proszków
PROJEKT WSPÓ£FINANSOWANY PRZEZ UNIÊ EUROPEJSK¥ ZE ŒRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO
Nowoczesne technologie materia³owe stosowane w przemyœle lotniczym
II KONFERENCJA 14-15 Grudnia 2009 ZB 13
Projekt kluczowy
Badania kalorymetryczne komponentów i mieszanin modyfikuj¹cych w celu wyznaczenia charakterystyk termicznych. Dobór sk³adu i wykonanie pastylek modyfikuj¹cych
Przeprowadzenie prób przetapiania stopów niklu w stanie wyjœciowym i modyfikowanym. Obiekt prób-piec pró¿niowy Baltzers
Metod¹ DSC (differential scanning calorimetry), mo¿na okreœliæ efekty cieplne reakcji chemicznych, przemian fazowych oraz procesów rozpuszczania i ogrzewania substancji czystych. Metoda jest stosowana przez bezpoœredni pomiar przep³ywu ciep³a lub jako kompensacyjna. Wyniki rejestrowane s¹ w postaci zmian przep³ywu ciep³a w jednostce czasu w zale¿noœci od temperatury. Rezultaty tej metody przedstawia siê za pomoc¹ krzywych obrazuj¹cych zale¿noœæ mierzonych w³asnoœci od temperatury. Uzyskane krzywe okreœlaj¹ szybkoœæ zmiany zadanego parametru oraz u³atwiaj¹ one rozró¿nienie efektów termicznych i precyzyjne wyznaczenie temperatury punktów przejœæ fazowych. Mikroanalityczn¹ metod¹ DSC mo¿na badaæ próbki o masie rzêdu miligramów, ró¿nych substancji organicznych i nieorganicznych.Schemat kalorymetru ró¿nicowego Multi HTC S60 przedstawia rysunek.Kalorymetr wyposa¿ony jest w oporowy piec grafitowy (1) umo¿liwiaj¹cy bezpieczn¹ pracê do 1500°C oraz powtarzalnoœæ warunków doœwiadczalnych. Wewn¹trz izolowanego termicznie pieca znajduje siê komora badawcza (2), do której opuszcza siê g³owicê pomiarow¹ HFDSC (3) z próbk¹ materia³u badanego. Obudowa g³owicy ma kszta³t wydr¹¿onego walca.
Wewn¹trz komory umieszczono pionowo obok siebie dwa tygle z bezpoœrednio do nich przylegaj¹cym uk³adem termoelementów PtRh6%/PtRh30% (4). Rozmieszczenie czujników i ich charakterystyka pozwalaj¹ na analizê zmiany temperatury w zakresie od 300 do 1600°C. W pierwszym tyglu (5) umieszcza siê próbkê badanego materia³u, w drugim (6) - próbkê wzorcow¹, w której w badanym zakresie temperatury nie zachodz¹ ¿adne przemiany fazowe (proszek Al2O3). Wszystkie elementy aparatu wykonane s¹ z nieaktywnej chemicznie w wysokiej temperaturze ceramiki alundowej (Al2O3). Objêtoœæ tygli wynosi 0,45 cm3.
Analiza kalorymetryczna DSC umo¿liwia bardziej dok³adna analizê krzepniêcia osnowy oraz przemian i proces ów wydzieleniowych w stanie sta³ym.Wykresy DSC umo¿liwiaj¹ wyznaczenie ciep³a zachodz¹cych przemian oraz obserwacjê przemian fazowych podczas nagrzewania i topnienia.Wykresy DSC wskazuj¹ na wydzielanie siê pierwotnych faz miêdzymetalicznych, lub wêglików, które mog¹ stanowiæ podk³adki
do zarodkowania i wzrostu kryszta³ów osnowy.
Zaproponowano nastêpuj¹ce sk³ady mieszanin modyfikuj¹cych, dla których zmiana entalpii swobodnej procesu redukcji Co rokuje powodzenie podczas zabiegu modyfikowania:
1. 10% (CoO・Al2O3) + 20% proszek Al +75%m¹czka cyrkonowa + 5% krzemionka koloidalna (spoiwo)
2. 10% (CoO・Al2O3) + 10% proszek Al + 10% proszek Ti + 65%
75%m¹czka cyrkonowa + 5% krzemionka koloidalna (spoiwo).
3. 10% (CoO・Al2O3) + 10% Hf (proszek) + 75%m¹czka cyrkonowa + 5% krzemionka koloidalna (spoiwo)
4. 20% (CoO・Al2O3) + 10% miszmetal (wiórki) + 65% 75%m¹czka cyrkonowa + 5% krzemionka koloidalna (spoiwo).
Pastylki modyfikuj¹ce
Wykonano seriê obliczeñ zmian entalpii swobodnej reakcji glinianu kobaltu CoAl2O4 z 9 podstawowymi sk³adnikami stopów niklu: Cr, Al, Ti, Ni, Mo, Nb, Ta, Zr i Hf oraz dla Si, Mg, Fe, La, Ce
1-P
1-O
1-C
1-B
1-E
1-F
1-G
1-D
1-K
1-N
1-L
1-M
1-A
1-I
1-J
1-H
-300 -270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90
Entalpia swobodna ÄG, kJ
-300 -270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0
Entalpia swobodna ? G, kJ
-300 -270 -240 -210 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0
Entalpia swobodna ? G, kJ
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Entalpia swobodna ? G, kJ
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0
Entalpia swobodna ? G, kJ
CoO · Al2O3 + Mg ? Co + MgO + Al2O3
2(CoO · Al2O3) + Si ? 2Co + SiO2 + Al2O3
4(CoO · Al2O3) + 3Fe ? 4Co + Fe3O4 + 4Al2O3
CoO · Al2O3 + Mg ? Co + MgO + Al2O3
2(CoO · Al2O3) + Si ? 2Co + SiO2 + Al2O3
4(CoO · Al2O3) + 3Fe ? 4Co + Fe3O4 + 4Al2O3
3(CoO · Al2O3) + 2Ce ? 3Co + Ce2O3 + 3Al2O3
2(CoO · Al2O3) + Ce ? 2Co + CeO2 + 2Al2O3
3(CoO · Al2O3) + 2La ? 3Co + La2O3 + 3Al2O3
3(CoO · Al2O3) + 2Ce ? 3Co + Ce2O3 + 3Al2O3
2(CoO · Al2O3) + Ce ? 2Co + CeO2 + 2Al2O3
3(CoO · Al2O3) + 2La ? 3Co + La2O3 + 3Al2O3
CoO · Al2O3 + 1/2Hf ? Co + 1/2HfO2 + Al2O3
CoO · Al2O3 + 1/2Zr ? Co + 1/2ZrO2 + Al2O3
CoO · Al2O3 + Ti ? Co + TiO + Al2O3
1,5(CoO · Al2O3) + 3/2Al ? Co + 2Al2O3
3(CoO · Al2O3) + 2Ti ? 3Co + Ti2O3+ 3Al2O3
5(CoO · Al2O3) + 3Ti ? 5Co + Ti3O5 + Al2O3
7(CoO · Al2O3) + 4Ti ? 7Co + Ti4O7 + 7Al2O3
2(CoO · Al2O3) + Ti ? 2Co + TiO2 + 2Al2O3
CoO·Al2O3 + Nb ? Co + NbO + Al2O3
CoO · Al2O3 + 1/2Hf ? Co + 1/2HfO2 + Al2O3
CoO · Al2O3 + 1/2Zr ? Co + 1/2ZrO2 + Al2O3
CoO · Al2O3 + Ti ? Co + TiO + Al2O3
1,5(CoO · Al2O3) + 3/2Al ? Co + 2Al2O3
3(CoO · Al2O3) + 2Ti ? 3Co + Ti2O3+ 3Al2O3
5(CoO · Al2O3) + 3Ti ? 5Co + Ti3O5 + Al2O3
7(CoO · Al2O3) + 4Ti ? 7Co + Ti4O7 + 7Al2O3
2(CoO · Al2O3) + Ti ? 2Co + TiO2 + 2Al2O3
CoO·Al2O3 + Nb ? Co + NbO + Al2O3
CoO · Al2O3 + 1/2Hf ? Co + 1/2HfO2 + Al2O3
CoO · Al2O3 + 1/2Zr ? Co + 1/2ZrO2 + Al2O3
CoO · Al2O3 + Ti ? Co + TiO + Al2O3
1,5(CoO · Al2O3) + 3/2Al ? Co + 2Al2O3
3(CoO · Al2O3) + 2Ti ? 3Co + Ti2O3+ 3Al2O3
5(CoO · Al2O3) + 3Ti ? 5Co + Ti3O5 + Al2O3
7(CoO · Al2O3) + 4Ti ? 7Co + Ti4O7 + 7Al2O3
2(CoO · Al2O3) + Ti ? 2Co + TiO2 + 2Al2O3
CoO·Al2O3 + Nb ? Co + NbO + Al2O3
1100 do 1200oC
Najsilniejsze dzialanie redukujace w procesie uwalniania czastek (jonów) Co odgrywaja Al, Ti, Nb i Hf (skladniki stopów niklu) oraz Ce, La i Mg.
Wykres DSC -CoAl2O4
Wykres DSC -CoAl2O4 + proszek Al
I efekt egzotermicznyI efekt egzotermicznyII efekt egzotermicznyII efekt egzotermiczny
Wykres DSC - Almetal + powloka(10% CoAl2O4+ZrSiO4
2 efekty egzotermiczne2 efekty egzotermiczne
Wykonanie analiz chemicznych przygotowanych preparatów
Weight % Al-K Si-K Co-K Zr-K
Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(5)_pt1 85.82 8.18 0.68 5.32
Atom %
Al-K Si-K Co-K Zr-K
Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(5)_pt1 89.81 8.22 0.33 1.65
Weight % Al-K Si-K Co-K
Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(4)_pt1 64.73 2.44 32.83 Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(4)_pt2 100.00
Atom % Al-K Si-K Co-K
Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(4)_pt1 78.84 2.85 18.31 Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(4)_pt2 100.00
Weight % Al-K Si-K Fe-K Co-K Zr-K
Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(2)_pt1 40.31 5.61 54.08 Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(2)_pt2 64.07 1.84 0.85 33.24 Al+(CoAl2O3+ZrSiO4)(2)_pt3 100.00
Wykonano:1. Ocene wp³ywu czterokrotnego przetopu wlewków „master heat” ze stopów IN-713C, IN-100 i MAR-247 na zmiany sk³adu chemicznego.2. Analizê ATD po ka¿dorazowym przetopie.
3. Badania makro- i mikrostruktury próbek po kolejnych przetopach.
4. Mikroanalizê sk³adu chemicznego osnowy i innych sk³adników fazowych po ka¿dym przetopie.
5. Zgromadzone wymagan¹ iloœæ odpadów poprodukcyjnych (odlewy wadliwe, uk³ady wlewowe) do badañ nad wp³ywem przetapiania na zmianê sk³adu chemicznego i struktury odlewów.
6. Przygotowano formy ceramiczne do dalszych badañ.
IN-713C – Heat 7V1532
0,010,0010,07<0,052,190,0010,06<0,1<0,54,210,83<0,16,1313,52resztaO,102
SiCuFeTaNbMnZrWHfMoTiCoAlCrNiC
0,010,0010,07<0,052,190,0010,06<0,1<0,54,210,83<0,16,1313,52resztaO,102
SiCuFeTaNbMnZrWHfMoTiCoAlCrNiC
0,350,51,0-3,00,350,12--5,51,251,06,5015,00reszta0,20Max
----1.0-0,05--3,50,75-5,5013,00reszta-Min
0,350,51,0-3,00,350,12--5,51,251,06,5015,00reszta0,20Max
----1.0-0,05--3,50,75-5,5013,00reszta-Min
MAR-247 – Heat 3V4253
0,01<0,0010,0473,17<0,050,0010,0329,981,400,651.0010,05,598,33reszta0,15
SiCuFeTaNbMnZrWHfMoTiCoAlCrNiC
0,01<0,0010,0473,17<0,050,0010,0329,981,400,651.0010,05,598,33reszta0,15
SiCuFeTaNbMnZrWHfMoTiCoAlCrNiC
0,150,10,253,300,10,20,0810,501,600,801,2011,05,708,80reszta0,17Max
---2,80--0,039,501,200,500,909,05,308,00reszta0,13Min
0,150,10,253,300,10,20,0810,501,600,801,2011,05,708,80reszta0,17Max
---2,80--0,039,501,200,500,909,05,308,00reszta0,13Min
IN-100 – Heat 3V4101
0,010,0010,04<0,05<0,050,0010,030,80<0,53,014,6613,415,668,56reszta0,161
SiCuFeTaNbMnZrVHfMoTiCoAlCrNiC
0,010,0010,04<0,05<0,050,0010,030,80<0,53,014,6613,415,668,56reszta0,161
SiCuFeTaNbMnZrVHfMoTiCoAlCrNiC
0,2-0,3--0,20,091,2-4,005,0017,006,0011,00reszta0,20Max
------0,030,7-2,004,5013,005,008,00reszta0,15Min
0,2-0,3--0,20,091,2-4,005,0017,006,0011,00reszta0,20Max
------0,030,7-2,004,5013,005,008,00reszta0,15Min
Wytopy prowadzono w indukcyjnym piecu typu VSG-02 (firmy Balzers), w tyglu z Al203.
Masa wsadu – 1,2 kg (masa odlewu 0,8kg). Po pobraniu próbek na sk³ad chemiczny i badania struktury, odlew ponownie przetapiano. Przeprowadzono 4 przetopy.
Formy, przed umieszczeniem w komorze pieca podgrzewano do 750oC.
Temperaturê ciek³ego metalu oraz temperaturê formy ceramicznej kontrolowano termoelementem zanurzeniowym Pt-PtRh10.
Temperatura odlewania stopu do formy wynosi³a oko³o 1480oC.
0,779
0,542
0,105
0,086
0,786
0,539
0,102
0,033
0,776
0,589
0,097
0,029
0,782
0,554
0,096
0,032
0,761
0,54
0,102
0,03
0
0,25
0,5
0,75
1
Zaw
art
oϾ,
%
Wlewek Przetop 1 Przetop 2 Przetop 3 Przetop 4
Operacja technologiczna
V
Si
Nb
CPrace mgr, dr, hab·Damian Broda : „Wp³yw modyfikacji i intensywnoœci
stygniêcia na twardoœæ odlewów oraz mikrotwardoœæ sk³adników fazowych stopu IN-713C”, Promotor: prof. dr hab. iný. Franciszek Binczyk
·Marcin Milewski: „Wp³yw modyfikacji i intensywnoœci stygniêcia na mikrostrukturê nadstopu niklu IN-713C”Promotor: prof. dr hab. iný. Franciszek Binczyk
·Pawe³ Gradoñ: „Obliczenia termodynamiczne i pomiary kalorymetryczne w uk³adach: modyfikator -sk³adniki nadstopu niklu IN-713C” ,Promotor: prof. dr hab. iný. Franciszek Binczyk
·Ma³gorzata Czy¿o: Wp³yw modyfikowania i intensywnoœci stygniêcia na makrostrukturê odlewów ze stopu IN-713C”, Promotor: prof. dr hab. iný. Franciszek Binczyk
Publikacje·Binczyk F., Œleziona J.: Phase transformations and
microstructure of IN-713C nickel superalloy. Archives of Foundry Engineering, vol. 9, Issue 2, str.109-113.
·Binczyk F., Œleziona J.: Macrostructure of IN-713C superalloy after volume modification Archives of Foundry Engineering, vol. 9, Issue 2, str.105-109
·Binczyk F., Œleziona J., Przeliorz R.: Calorimetric examination of mixtures for modification of nickel and cobalt superalloys, Archives of Foundry Engineering, vol. 9, Issue 2, str.97-101.
·Binczyk F., Œleziona J.: Macro- and microhardness of IN-713C nickel superalloy constituents, Archives of Foundry Engineering, vol. 9, issue 4, str.9-13.
·Binczyk F., Œleziona J., Koœcielna A.: Effect of modification and cooling rate on the macrostructure of IN-713C alloy, Archives of Foundry Engineering, vol. 9, issue 3, str.13-17.
·Binczyk F., Œleziona J., Koœcielna A.: Effect of modification and cooling rate on the microstructure of IN-713C alloy, Archives of Foundry Engineering, vol. 9, issue 4, str.5-9.
9,83
7,16
5,99
10,7
7,15
5,92
10,7
7,29
5,93
10,5
7,35
5,92
10,6
7,19
5,87
4
6
8
10
12
Za
wa
rto
Ͼ
,%
Wlewek Przetop 1 Przetop 2 Przetop 3 Przetop 4
Operacja technologiczna
Co
Cr
Al.
4,39
3,04
4,26
2,95
4,24
2,92
4,21
2,93
4,18
2,99
2
3
4
5
6
Zaw
art
oϾ,
%
Wlewek Przetop 1 Przetop 2 Przetop 3 Przetop 4
Operacja technologiczna
Ti
Mo
13,0
6,82
4,12
13,1
6,68
4,13
13,2
6,71
4,24
13,1
6,74
4,13
13,0
6,73
4,18
0
5
10
15
Zaw
art
oϾ,%
Wlewek Przetop 1 Przetop 2 Przetop 3 Przetop 4
Operacja technologiczna
Cr
Al.
Mo
2,22
0,824
0,165
2,22
0,857
0,413
2,26
0,846
0,404
2,21
0,841
0,413
2,2
0,825
0,404
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Zaw
arto
Ͼ,%
Wle w e k Prze top 1 Prze top 2 Prze top 3 Prze top 4
Operacja technologiczna
Nb
Ti
Co
Wyniki badan dla stopu IN-713C Wyniki badan dla stopu MAR-247
1,92
1,06
0,495
1,71
1,06
0,482
1,68
1,04
0,466
1,55
1,05
0,478
1,46
1,06
0,485
0,2
0,6
1
1,4
1,8
2,2
Za
wa
rto
Ͼ
,%
Wlewek Przetop 1 Przetop 2 Przetop 3 Przetop 4
Operacja technologiczna
Hf
Ti
Mo
9,83
9,56
10,7
9,51
10,7
9,58
10,5
9,89
10,6
9,76
8
9
10
11
12
Za
wa
rto
Ͼ
,%
Wlewek Przetop 1 Przetop 2 Przetop 3 Przetop 4
Operacja technologiczna
Co
W
6,56
6,17
3,84
6,516,11
3,62
6,54
6,2
3,52
6,446,18
3,61
6,456,15
3,7
0
3
6
9
Za
wa
rto
Ͼ
,%
Wlewek Przetop 1 Przetop 2 Przetop 3 Przetop 4
Operacja technologiczna
Cr
Al.
Ta
Wyniki badan dla stopu IN-100
0,0546
0,0523
0,02
0,002
0,0544
0,0467
0,02
0,002
0,0548
0,0466
0,02
0,002
0,0545
0,0499
0,02
0,002
0,0536
0,0484
0,02
0,002
0
0,02
0,04
0,06
Zaw
arto
Ͼ,%
Wlew ek Prze top 1 Prze top 2 Prze top 3 Prze top 4
Operacja technologiczna
Zr
Fe
W
C
1. Kolejne przetopy nie wplywaja istotnie na zmianeskladu chemicznego.
2. Nieznacznemu obnizeniu (zgarowi) ulega jedynie Al.
1. Kolejne przetopy wplywaja na zmiane skladu chemicznego.2. Obnizeniu (zgarowi) ulegaja Cr, Ta, Hf, a zwlaszcza C!
1. Kolejne przetopy nie wplywaja istotnie na zmiane skladu chemicznego.
2. Nieznacznemu obnizeniu (zgarowi) ulegajaAl ,Ti, a zwlaszcza C!
Politechnika Œl¹ska, Politechnika Warszawska, Politechnika Rzeszowska
WskaŸniki relizacji celów projektu
Warunki procesu