Кластеры карбидов и боридов на широких границах зерен в литейных материалах

Введение

В области материаловедения и металлургии изучение микроструктуры материалов является ключевым аспектом для определения их свойств и применения. Одним из таких интересных объектов исследования являются кластеры карбидов и боридов, которые могут формироваться в некоторых областях широких границ зерен литейных материалов.

Основное содержание

Кластеры карбидов и боридов возникают в результате процессов, происходящих в зонах, соответствующих бывшим междендритным пространствам в литейных материалах. Эти зоны характеризуются широкими границами зерен и специфическим расположением различных фаз и структурных компонентов.

Кластеры карбидов и боридов могут влиять на механические, коррозионные и другие свойства материала, а также на его способность к дальнейшей обработке и применению. В частности, наличие таких кластеров может увеличивать твердость материала, что делает его более устойчивым к износу, но снижает его пластичность и усталостную прочность.

Для анализа микроструктуры и идентификации кластеров карбидов и боридов используются различные методы, включая оптическую и электронную микроскопию. Увеличение в 400x позволяет увидеть мелкие детали структуры и определить состав кластеров.

Кластеры карбидов и боридов в некоторых областях широких границ зерен в зонах, соответствующих бывшим междендритным пространствам в литейном материале, увеличение 400x.

Влияние бора на структуру сплавов

Среднелегированный сплав ЭИ698 (ХН73МБТЮ) используется для изготовления массивных ковок дисков и других высоконагруженных деталей авиационных двигателей на протяжении более 40 лет. Их производят из кованых и прессованных стержней диаметром 160-220 мм.

Сплав ЭИ698 (ХН73МБТЮ) применяется: для изготовления деталей авиационной техники (лопаток газовых турбин, термообработанных и обточеных штамповок дисков, дефлекторов, лабиринтов и носков) с рабочей температурой до +750 °C; крепежных и других деталей, работающих при температуре до 750−800 °С.

Примечание: Жаропрочный сплав на никелевой основе.

Долгосрочный опыт испытаний и изготовления коммерческих ковок дисков и других деталей из сплава ЭИ698 показал, что основной трудностью в их производстве является отклонение краткосрочных свойств и/или долговременной прочности от значений, требуемых техническими условиями. Это характерно для отдельных ковок, изготовленных из металла одного раската. В то же время, в некоторых случаях все ковки, изготовленные из одного раската, соответствуют требованиям спецификации.

Было несколько случаев массового отказа ковок из отдельных раскатов сплава ЭИ698 с содержанием бора не более 0,005% из-за низкой ударной вязкости.

Основными причинами низких и нестабильных значений долговременной прочности при 650°C после стандартной термообработки является снижение содержания бора до 0,0025%. Хотя такие случаи были редкими, это происходило, потому что стержни из сплава ЭИ698 плавились и поставлялись с содержанием бора не более 0,005% на протяжении по крайней мере 30 лет. Бор, церий и другие технологические добавки, вводимые в металл в проектных количествах, не контролировались химическим анализом в соответствии со спецификацией.

Проблема низкой ударной вязкости стала актуальной, когда содержание бора в поставляемом металле было увеличено до не более 0,008% вместо традиционных не более 0,005%.

Ниже описано влияние бора на структуру и все контролируемые свойства ковок дисков из сплава ЭИ698ВД при изменении содержания бора от 0,0017 до 0,01% в отдельных раскатах после того, как проектное количество бора было увеличено с не более 0,005% до не более 0,008% в соответствии с новой спецификацией на поставляемый металл.

В ходе исследования было обнаружено, что увеличение содержания бора в сплаве ЭИ698ВД ведет к изменению структуры и свойств ковок. Особое внимание было уделено влиянию бора на микроструктуру, ударную вязкость и долговременную прочность сплава.

Типичная структура межзеренного разрушения с вторичными трещинами на образцах ударного испытания с KCU = 0,30 — 0,40 МДж/м² ковок (партий металла) с содержанием бора 0,009 — 0,01%, увеличение 50x

Экспериментальные результаты показали, что при увеличении содержания бора в сплаве улучшается ударная вязкость и долговременная прочность ковок дисков. Однако, при слишком высоком содержании бора (более 0,008%) наблюдались нежелательные эффекты, такие как ухудшение свариваемости и усталостных характеристик.

Выводы, сделанные в рамках изучения влияния карбидов брома на механические свойства, позволяют определить оптимальное содержание бора в сплаве ЭИ698ВД, которое обеспечивает достижение необходимых свойств и характеристик ковок дисков и других высоконагруженных деталей авиационных двигателей. Таким образом, рекомендуется контролировать содержание бора в сплаве на стадии плавки и поставки металла для обеспечения стабильности и предсказуемости свойств готовых изделий.

Заключение

Изучение кластеров карбидов и боридов на широких границах зерен в литейных материалах является важным аспектом материаловедения и металлургии. Понимание механизмов образования таких кластеров и их влияния на свойства материалов может способствовать разработке новых сплавов и технологий обработки с улучшенными характеристиками.