STOPY NIKLU JAKO NOWOCZESNE TWORZYWO ODLEWNICZE DO PRACY W EKSTREMALNYCH WAR.

Stopy niklu należą do jednych z bardziej odpornych tworzyw do pracy w skrajnie trudnych warunkach eksploatacji: agresywne chemicznie środowisko, wysoka temperatura, duże obciążenia przenoszone w długim okresie czasu.

56.50

Na stanie

Stopy niklu należą do jednych z bardziej odpornych tworzyw do pracy w skrajnie trudnych warunkach eksploatacji: agresywne chemicznie środowisko, wysoka temperatura, duże obciążenia przenoszone w długim okresie czasu. Mimo że na światowym rynku technologicznym występuje kilka znormalizowanych odlewniczych stopów niklu, to dotychczas zdecydowana większość elementów maszyn i urządzeń wykonywanych jest drogą kosztownej obróbki ubytkowej z materiału wstępnie przerabianego plastycznie. Analiza dostępnej literatury i dotychczasowe własne do-świadczenia wykazały, że zastosowanie procesów odlewniczych do wytwarzania elementów ze stopów niklu nastręcza bardzo wiele trudności. Wiąże się to z niekorzystnymi właściwościami technologicznymi tych stopów: zła lejność, duży skurcz odlewniczy, a przede wszystkim duża reaktywność ciekłego metalu z atmosferą powietrza nad kąpielą i z ceramiką tygla i formy. Skala tych trudności rośnie wraz z oczekiwanym wzrostem właściwości użytkowych stawianych przed tymi stopami.

W warunkach wysokotemperaturowej eksploatacji wzrost właściwości stopów niklu uzyskuje się przez umocnienie roztworowe wprowadzanymi dodatkami stopowymi, ale głównie dzięki wydzieleniom dyspersyjnych faz powstających w procesie wielostopniowej obróbki cieplnej. Fazy te zawierają silnie reaktywne pierwiastki, takie jak: aluminium, tytan, cyrkon, niob czy ren. Powinowactwo tych pierwiastków do tlenu stanowi jedną z większych przeszkód w procesie wytapiania i odlewania nowoczesnych stopów niklu najnowszej generacji. Zaliczają się do nich, szeroko badane w ostatnim okresie przez różne ośrodki naukowe, stopy typu Inconel i Haynes. Zachowują one przez długi okres użytkowania znakomite właściwości w warunkach eksploatacji pod wysokimi obciążeniami w temperaturze znacznie przekraczającej 700°C. Są one jednak stosowane wyłącznie jako stopy przerabiane plastycznie. Czynione próby wytwarzania elementów z tych stopów z zastosowaniem technologii odlewania mają charakter strategiczny, a informacje na ten temat, które można pozyskać są bardzo szczątkowe.

Celem przedkładanej pracy było wytworzenie odlewanych stopów niklu z grupy Inconel i Haynes o właściwościach niewiele ustępujących stopom przerabianym plastycznie, określenie skali trudności topienia tych stopów w otwartym piecu indukcyjnym i grawitacyjnego odlewania do form piaskowych oraz wykonanie i przebadanie wytypowanych odlewów użytkowych.

Zakres prac badawczych przewidywał prowadzenie prób nad dwoma stopami niklu: Inconel 740 (IN740) i Haynes 282 (H282). Obejmował on przeprowadzenie wytopów laboratoryjnych, na podstawie których określono właściwości technologiczne oraz termofizyczne niezbędne do wiarygodnej analizy numerycznej procesu odlewania wirtualnego.

W kolejnym etapie weryfikowano przyjęte w oparciu o dane literaturowe założenia procesów obróbki cieplnej odlanych stopów. W tym celu przeprowadzono obserwacje mikrostruktury powstającej w wyniku wykonanych zabiegów cieplnych (wielowariantowego przesycania i kilku-etapowego starzenia) oraz pomiary twardości i mikrotwardości badanych stopów. Przeprowadzono również ocenę stopnia reaktywności ciekłego stopu niklu z wybranymi, powszechnie stosowanymi, odlewniczymi materiałami ceramicznymi.
Po dokonaniu analizy uzyskanych wyników wstępnych prób laboratoryjnych przystąpiono do wykonania odlewów elementów użytkowych ze stopu niklu wybranych na podstawie przyjętych kryteriów. Po wyborze tych elementów przeprowadzono symulację komputerową opracowanych wariantów technologicznych i wykonano wytopy. Następnie przeprowadzono obróbkę cieplną i przystąpiono do badań materiałowych odlanego stopu oraz oceniono jakość wykonanych odlewów.

W wyniku przeprowadzonych badań nad stopem IN740 stwierdzono, że największe jego umocnienie, a więc wzrost twardości uzyskano, stosując (po przesycaniu w temperaturze 1200°C przez 3 h) starzenie w temperaturze 850°C przez 16 h. Dlatego do oceny właściwości wytrzymałościowych (Rm) badanego stopu wykonane próbki wytrzymałościowe obrabiano cieplnie wg tego wariantu. Uzyskane w różnej temperaturze (20°C, 500°C, 700°C i 800°C) wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie wykazały, że odlewany nadstop niklu IN740 jest znacznie bardziej wy-trzymały, zwłaszcza w wysokiej temperaturze, niż walcowana stal żarowytrzymała gatunku X6CrNiTiB18-10. W temperaturze 800°C stop ten wykazał wytrzymałość Rm ponad 460 MPa, natomiast porównywana z nim stal żarowytrzymała – poniżej 200 MPa. Tak więc stosowanie w wysokiej temperaturze odlewów ze stopu IN740 w miejsce konstrukcji stalowych może w znacznym stopniu ograniczyć masę poszczególnych elementów i zwiększyć ich trwałość eksploatacyjną.

Celem utylitarnym pracy było zbadanie możliwości wykonywania odlewanych elementów z nadstopów niklu przeznaczonych do pracy w newralgicznych strefach urządzeń energetycznych. W wyniku przeprowadzonych prób stwierdzono, że stosowany dotychczas jako przerabiany plastycznie stop IN740 może być wytapiany w odlewniczym piecu indukcyjnym, a odlewy z niego wykonane posiadają odpowiednią mikrostrukturę uzyskiwaną w wyniku typowych zabiegów przesycania i starzenia oraz dobre właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze. Jedynym wymogiem, którego według niepublikowanych informacji partnerów amerykańskich, z którymi nawiązano współpracę w zakresie prowadzonych badań, nie spełnia stop IN740, jest dobra spawalność konieczna przy łączeniu odlewów w większych konstrukcjach. Z tego względu wstrzymano dalsze badania stopu IN740, poszukując innego tworzywa o porównywalnych właściwościach, ale dobrze spawalnego.

Nadstopy niklu są klasycznym przykładem umacniania osnowy dyspersyjnymi cząstkami drugiej fazy. Kluczowym składnikiem ich struktury jest koherentna faza ????’ (Ni, Fe)3Al. We współczesnym superstopie może być 60–85% objętości tej fazy. Nikiel jest tu swoistym spoiwem łączącym jej wydzielenia. Jednym z takich tworzyw jest nadstop niklu H282. Jako stop przerabiany plastycznie wykazuje bardzo dobre właściwości użytkowe oraz dobrą spawalność. Występuje jednak wiele problemów w przypadku stosowania go jako tworzywo odlewnicze. Problemy te występują zarówno w samym procesie topienia (duża reaktywność ciekłego stopu z ceramiką i atmosferą nad kąpielą metalową), jak i procesie odlewania (niska lejność, duży skurcz odlewniczy).

H282 jest stopem najnowszej generacji i traktowany jest jako materiał strategiczny. Z tego względu brak jest w dostępnych źródłach wiarygodnych danych, w tym termofizycznych i technologicznych, w zakresie wysokich temperatur obszaru topienia i krystalizacji koniecznych do prawidłowego opracowania procesu technologicznego odlewania i obróbki cieplnej tego stopu.
Podczas prób wykonywania odlewów ze stopu H282 napotkano wiele trudności wynikających głównie z właściwości technologicznych tego stopu. Konieczność przegrzania ciekłej kąpieli metalowej do odpowiednio wysokiej temperatury (powyżej 1550°C), w celu uzyskania zadowalającej lejności, powoduje duży skurcz odlewniczy przekraczający nawet 4%, czego wynikiem są jamy skurczowe często sięgające w głąb odlewu mimo stosowania sporych rozmiarów układów wlewowo-zasilających.
Wzrost temperatury roztopionego metalu powoduje znaczny wzrost reaktywności stopu z atmosferą powietrza i z ceramiką tygla i formy. Termowizyjny obraz powierzchni ciekłego stopu w procesie topienia, w trakcie spustu oraz zalewania form stopem H282 pokazuje zróżnicowaną jej temperaturę na małej przestrzeni. Obserwowany gradient temperatury wynika z pokrywania się powierzchni metalu produktami reakcji stopu niklu z wymurówką tygla i z tlenem atmosferycznym.

Ze stopu H282 wykonano odlewy elementów palnika gazowego DN100 (dysza i końcówki dyszy). Odlewy te wykazują wystarczająco dobrą jakość dla tego typu elementów. Wykonanie ich ze stopu dotąd przeznaczonego wyłącznie do przeróbki plastycznej jest utylitarnym rezultatem realizowanej pracy. Otrzymane w wyniku jej realizacji właściwości mechaniczne odlewanego stopu H282 były lepsze niż otrzymanego analogicznego stopu odlanego w odlewni amerykańskiej.
Do osiągniętych celów poznawczych zaliczyć można szeroko przeprowadzoną analizę termiczną procesu krystalizacji stopu H282, określenie jego właściwości technologicznych i termofizycznych, przeprowadzenie na tej podstawie numerycznej analizy odwrotnej w procesie symulacji komputerowej procesu zalewania i krzepnięcia odlewów o wybranym kształcie.
Innowacyjnym rozwiązaniem zaproponowanym w niniejszej pracy jest nowatorski sposób pomiaru lejności i skurczu odlewniczego w jednej próbie technologicznej.

Do osiągniętych rezultatów pracy zaliczyć można opracowanie metody i uzyskane wyniki badań reaktywności wybranych materiałów ceramicznych z ciekłym stopem H282. Stwierdzono, że spośród powszechnie stosowanych w warunkach przemysłowych materiałów ceramicznych mających bezpośredni kontakt z ciekłym stopem niklu najkorzystniej jest stosować ceramikę opartą na związkach cyrkonu.
Innym istotnym rezultatem prowadzonych badań jest określenie wpływu parametrów cza-sowo-temperaturowych procesu obróbki cieplnej stopu H282 na jego mikrostrukturę i uzyskiwane właściwości mechaniczne. Sporządzona temperaturowa charakterystyka zmian tych właściwości pozwoliła wykazać, że odlewany stop H282 swymi właściwościami wytrzymałościowymi może przewyższać odpowiedni stop przerabiany plastycznie w temperaturze powyżej 950°C, mimo że w temperaturze otoczenia znacznie mu ustępuje.

W pracy podjęto próbę gorącego prasowania izostatycznego (Hot Isostatic Pressing – HIP) wytworzonego odlewanego stopu H282 w celu poprawy jego właściwości przez doprasowanie wewnętrznych nieciągłości struktury powstających w procesie odlewania, a następnie oceniono skuteczność przeprowadzonego zabiegu. Proces HIP prowadzony według przyjętych założeń technologicznych spowodował zdecydowane ograniczenie mikronieciągłości strukturalnych występujących w stopie po odlaniu oraz ujednorodnienie składu chemicznego osnowy metalowej. Tym korzystnym efektom towarzyszyły jednak zjawiska niekorzystne takie jak nadmierny rozrost ziaren i wydzielanie węglików na ich granicach. Z tych względów zastosowany zabieg izostatycznego dogęszczania materiału odlewanego nie przyniósł spodziewanych efektów w postaci zwiększenia właściwości wytrzymałościowych stopu. Konieczne jest w tym zakresie kontynuowanie prób w celu zoptymalizowania parametrów tego procesu. Jest to jednak zagadnienie wymagające odrębnych badań i wysokich nakładów finansowych z nimi związanych.

Autor

ISBN

978-83-88770-91-3

Liczba stron

Rok wydania

Wydawca

Opinie

Na razie nie ma opinii o produkcie.

Napisz pierwszą opinię o „STOPY NIKLU JAKO NOWOCZESNE TWORZYWO ODLEWNICZE DO PRACY W EKSTREMALNYCH WAR.”