Download - Projekt kluczowy Nowoczesne technologie materia³owe …pkaero.prz.edu.pl/sprawozdania/KONF-14_15-12-2009/Plakaty/plakat … · 3. 10% (CoO・Al2O3) + 10% Hf (proszek) + 75%m¹czka

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


-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0


-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0


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




1,5(CoO · Al2O3) + 3/2Al ? Co + 2Al2O3









1,5(CoO · Al2O3) + 3/2Al ? Co + 2Al2O3






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


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


0,01<0,0010,0473,17<0,050,0010,0329,981,400,651.0010,05,598,33reszta0,15


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

oœæ,

%

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

œæ

,%



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

oœæ,

%



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

oœæ,%



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

œæ,%

Wle w e k Prze top 1 Prze top 2 Prze top 3 Prze top 4


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

œæ

,%



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

œæ

,%



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

œæ

,%



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

œæ,%

Wlew ek Prze top 1 Prze top 2 Prze top 3 Prze top 4


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