книги из ГПНТБ / Микролегирование литых жаропрочных сталей

бавки церия и бора свариваемость стали практически не отличается от свариваемости исходной стали без микро­ легирующих добавок. В стали, микролегированной бо­ ром в количестве 0,009%, трещины обнаружены на всех образцах, что свидетельствует об ухудшении сваривае­ мости.

Трещины в зоне наплавки и зоне термического влия­ ния так же, как и при термоциклировании, распростра­ няются по границам зерен. Наиболее характерное струк­ турное изменение в стали после термоциклирования вы­ ражается в появлении следов скольжения в виде тонких линий и полос (рис. 108), т. е. областей, где постепенно накапливается пластическая деформация за счет проте­ кания отдельных актов скольжения. Типичным для мно­ гих случаев является также изменение строения грани­ цы: появление двойников и зубцов в местах выхода полос скольжения к границам зерен, причем карбидные выде­ ления по границам также приобретают ярко выраженное зубчатое строение.

Процесс усталости металла при циклическом нагру­ жении слагается из двух почти одновременно развиваю­ щихся процессов: упрочнения и разупрочнения, или раз­ рыхления. Локализация пластической деформации в определенных областях — полосах скольжения вызыва­ ется упрочнением основной массы металла, расположен­ ного между полосами скольжения. Эта стадия непосред­ ственно предшествует переходу к стадии разрушения. Упрочнение металла определяется' или увеличением плотности дислокаций, сопровождающим грубые иска­ жения кристаллической решетки и образование ячеи­ стой структуры, или возникновением повышенного коли­ чества вакансий.

При асимметричном циклическом нагружении прояв­ ляются все характерные признаки механизма высоко­ температурной ползучести, а именно: смещение зерен вдоль границы, локальная деформация в приграничной области, в результате чего на границах зерен возникают клиновидные трещины, растущие от места стыка трех зе­ рен [64]. Смещение зерен по границам при ползучести заключается в сдвиговых процессах в узкой пригранич­ ной области, представляющих движение дислокаций па­ раллельно границе, возможное при непрерывном прито­ ке вакансий.

215

Изменяя определенным образом дислокационную структуру стали, микролегирующие добавки влияют на характер прохождения процессов упрочнения и разуп­ рочнения. Упрочнение твердого раствора за счет легирорования введенным элементом затрудняет прохождение деформации по границам зерен. Результаты исследова­ ния микроструктуры показали, что в стали без микроле­ гирующих добавок дислокации, при обычном травлении выявляемые в структуре в виде ямок травления на лини­ ях скольжения, расположены более или менее равномер­ но по всему зерну и имеют довольно высокую плотность. Подобную картину наблюдали [64] после закалки от 860—880° С деформированного технического железа, когда дислокации имели слабую блокировку и признаки внутренней деформации были выражены сильнее, чем деформация у границ зерен. При введении в сталь церия характер расположения дислокаций изменяется мало, а плотность их существенно уменьшается. Структура ста­ ли, микролегированной бором и церием, после термоциклирования показана на рис. 109—111. Являясь поверхно­ стно-активным элементом, церий адсорбируется на по­ верхностях раздела между кристаллами и поэтому замедляет все процессы, связанные с перемещением дис­ локаций. Изменение характера распределения дислока­ ций под влиянием добавок изучалось [88] на кремнистом железе. Установлено, что в металле без церия ямки трав­ ления на месте выхода дислокаций распределены бес­ порядочно по всему зерну. В металле с добавкой церия дислокации у границ зерен не выявляются, а характер распределения дислокаций внутри зерна изменяется сле­ дующим образом: дислокации выстраиваются в линей­ ные ряды, образуя пространственную сетку.

В стали, микролегированной бором, плотность дисло­ каций в теле зерна резко снижается, а у границ значи­ тельно возрастаёт. Наблюдается сильная блокировка дислокаций, вызванная барьерным эффектом границ зерен, в результате чего очень упрочняются границы и приграничные зоны. Повышение прочности границ зерна и создание своеобразного упругого «барьера» из пригра­ ничных скоплений дислокаций способствует повышению напряжений, необходимых для распространения течения от зерна к зерну, и появление трещин при термоциклировании наступает значительно позднее.

2 ! 6

Рис109. Микроструктура стали 1Х23Ш8 с добаркой Се после термоциклнрования (Х900),

Рис. ПО. Микроструктура стали 1Х23Н18 с добавкой В после термоциклирования (Х900).

Возможность повышения высокотемпературной проч­ ности и сопротивления ползучести путем изменения плот­ ности дислокаций показана в работах [64, 65, 132]. Там же описаны методы упрочнения, основанные на создании ■структурного состояния, обеспечивающего эффективную задержку движению дислокаций.

Удельная энергия, поглощаемая в процессе пластиче­ ской деформации, расходуется, с одной стороны, на упрочнение QynP и связана с дислокациями и другими дефектами, порожденными в процессе деформирования и задержанными в металле, а с другой стороны — на разупрочнение Qpa3 и связана с вышедшими дислокация­ ми, т. е.

Чем больше Qnom для данного структурного состояния, тем выше энергоемкость металла, причем вклад в проч­ ность дает Qynp, а в пластичность — Qpa3. Прочность тем выше, чем большее число порождаемых дислокаций за­ держивается в металле.

Из приведенного соотношения следует, что для мак­ симального использования сил межатомной связи в дан­ ном металле необходимо создание такого структурного состояния, которое бы обеспечивало максимальную за­ держку имеющихся и возникающих в процессе деформа­ ции дислокаций. В общем случае способы задержки дис­ локаций можно разделить условно на две группы.

1. Создание внутренних дислокационных барьеров (границы зерен, двойники, границы раздела фаз, стенки дислокаций, мелкодисперсные выделения, блокирование дислокаций примесями внедрения и др.).

2. Создание внешних дислокационных барьеров (упрочнение поверхности путем наклепа, нанесение пле­ нок и покрытий), препятствующих выходу дислокаций на поверхность.

Задача, однако, состоит не просто в создании струк­ турного состояния с повышенной плотностью дислока­ ций, а в создании стабильной в интервале рабочих темпе­ ратур дислокационной структуры.

Помимо лабораторных испытаний, проводились испы­ тания на лопатках, отлитых из стали с оптимальными вариантами микродегированид в условиях производ­ ства [3].

218

Испытания проводились на установке горения УГ-1 [193], состоящей из серийной жаровой трубы и сектооа соплового аппарата и имитирующей условия работы лопаток на изделии. Центральные части лопаток, поверх­ ность которых подвергалась опескоструиваишо, а выход­ ная кромка зачищалась шлифовальной шкуркой, уста­ навливались в специальной трехлопаточной кассете, прикрепленной к выходной части отсека камеры сгора­ ния через удлинительную трубу, выравнивающую температурное поле выходящих газов. Установка рабо­ тала на дизельном топливе. Исследовалось влияние тем­ пературы, цикличности нагревов и непосредственного касания факела на состояние лопаток. Режим каждого цикла испытания следующий: нагрев до температуры

1000° С (30 сек), выдержка при 1000° С (30 сек), охла­ ждение с обдувкой воздухом (1 мин).

Температуру лопаток измеряли термопарами, прива­ ренными к ним. Как показали измерения, фактический режим испытания состоял в нагреве не до 1000°, а при­ мерно до 870° С и охлаждение осуществлялось не до комнатной, а до температуры 70—80° С. Таким образом, фактический перепад температуры при циклировании со­ ставлял 800° С. Через каждые 100 и 50 циклов лопатки подвергались осмотру с помощью лупы. Испытания пре­ кращали после появления трещин на тонкой выходной

У испытываемых лопаток образование трещин идет по тонким выходным кромкам, на которых создаются максимальные температурные перепады во время охлаж­ дения, обусловливающие возникновение больших растя­ гивающих напряжений в поверхностных слоях. Сквозные

219

Рис. 111. Микроструктура стали 1Х23Н18 с добавкой Се и В после термоциклнрования (Х900).

Рис. 112. Сквозная трещина термической усталости на выходной кромке пера сопловой лопатки турбины из стали 1Х23Н18 после 330 циклов (Х100),

трещины На выходных кромках у лапаток, изготовленных из стали без добавок, появляются после 330 циклов. Та­ кие же данные получены в работе [193] для литых ло­ паток из стали 1Х23Н18. Лопатки из стали, микролегиро­ ванной церием, выдержали 750 циклов, после чего началось растрескивание — образовалось много мелких несквозных трещин. Аналогичные результаты в отноше­ нии числа циклов до разрушения приведены в [193] для литых лопаток из никелевого сплава и, наконец, лопат­ ки, микролегированные В и Се, были сняты с испытания после 1050 циклов без трещин.

Микроструктура выходной кромки пера лопатки из исходной стали после 330 циклов показана на рис. 112. По всему сечению проходит грубая сквозная трещина, распространяющаяся по границам зерен. Темными уча­ стками отмечены места выделения карбидной фазы — межосные и междендритные пространства. На рис. 113 и 114 показана структура поверхности кромки лопаток из стали, микролегированной Се (рис. 113) и комплексно Се и В (рис. 114) после 750 и 1050 циклов. В стали, мик­ ролегированной церием, заметно измельчение зерна и более равномерное распределение карбидной фазы. Оба эти фактора положительно влияют на сопротивление тер­ моусталости, в результате чего после 750 цилков сквоз­ ных трещин не наблюдается, а обнаружены мелкие тре­ щинки у поверхности, т. е. сопротивление термоусталости под влиянием церия увеличилось по крайней мере в два раза.

Поверхность кромки лопатки из стали, микролегиро­ ванной комплексно бором и церием, имеет ряд характер­ ных отличий. В результате воздействия высокой темпе­ ратуры и касания факела узкая зона у края кромки подвергалась обезуглероживанию, выявились линии скольжения и изменился характер распределения кар­ бидной фазы. Макро- и микротрещины в этом случае не обнаружены.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что при микролегировании реализуются в различ­ ной степени оба отмеченных выше способа задержки дислокаций.

В структуре литой стали 1Х23Н18, микролегированной бором и комплексно бором и церием, барьером для движущихся дислокаций являются не только границы

221

Рис. 113. Трещины на выходной кромке пера сопловой-лопатки турбины из стали 1Х23Н18, мнкролегнроваиион 0,16% Се после

75U циклов (Х100).

Ри с . 114. Поверхность выходной кромки пера сопловой лопат­

ки турбины из стали 1Х23Н18, микролегированной комплексно Се и В, после 1050 циклов (а — Х100; б — Х600).

аустенитного зерна, общая протяженность которых почти не изменяется по сравнению с протяженностью границ в стали без добавок, но и вторичная граница, разделяю­ щая аустенитное зерно на субзерна или блоки, представ­ ляющие собой цепочки мелкодисперсных частиц карби­ дов хрома Сг2зСе. Барьерный эффект увеличивается, безусловно, за счет мелкодисперсных частиц боридных и цериевых фаз, а также за счет измельчения дендрит­ ной структуры и появления большего количества ликвационных участков в межосных и междендритных прост­

При увеличении добавки церия, он, как уже было сказа­ но, скапливается на поверхности кристаллитов и замед­ ляет процессы передвижения дислокаций. Помимо этого, положительное влияние на характеристики жаропроч­ ности и термостойкости должен оказывать тот факт, что микролегирование стали церием и совместно церием и бором способствует более равномерному распределению хрома в литой структуре. В процессе выдержки в интер­ вале служебных температур это создает более благопри­ ятные условия для выделения вторичных упрочняющих фаз, которые более равномерно упрочняют структуру, чем в случае стали без добавок с неравномерным рас­ пределением хрома. Результаты испытания образцов и деталей из стали, микролегированной церием, на термо­ усталость показывают, что церий способствует получе­ нию более плотной пленки окислов на поверхности стали и на границах ее зерен, в результате чего диффузионное проникновение кислорода затрудняется, что приводит к увеличению усталостной прочности.

На свойства стали, так же как и на ее структурные характеристики, существенно влияют условия выплавки и кристаллизации. Так, сталь 1Х23Н18 II варианта, охлажденная со скоростью примерно 21 см/мин, имеет более высокий уровень механических свойств (проч­ ность, пластичность и ударную вязкость) при комнатной температуре и более высокие показатели длительной прочности, чем сталь I варианта, кристаллизовавшаяся со скоростью примерно 3 см/мин, так как последняя

223

имеет менее однородную и менее дисперсную структуру по сравнению со сталыо II варианта.

Микролегирование церием и бором стали 1Х23Н18 I и II вариантов не оказывает сколько-либо заметного влияния на ее прочностные свойства, но несколько сни­ жает пластичность и вязкость.

Измерения электросопротивления, весьма чувстви­ тельной характеристики в отношении однородности твердого раствора, показали, что в стали I варианта при добавке церия однородность раствора увеличивается, электросопротивление уменьшается, причем минимум достигается при 0,1% Се. Бор снижает степень однород­ ности твердого раствора, вероятно, вследствие выделе­ ния дисперсных фаз, что наблюдалось при увеличении электросопротивления стали 1 варианта с добавкой бора.

Церий увеличивает растворимость углерода в аусте­ ните и уменьшает количество карбидной фазы в стали 1X23HI8. Бор, наоборот, уменьшает растворимость угле­ рода в аустените и увеличивает количество карбидной фазы. В противоположность церию, который уменьшает стабильность карбидной фазы при нагреве, бор повыша­ ет стабильность карбидов. Подобное заключение было подтверждено исследованием микроструктуры закален­ ной стали 1Х23Н18 II варианта с добавками церия и бо­ ра. В стали с церием карбиды растворяются полностью при нагреве под закалку до 1150° С, в стали с бором большая часть карбидов при этой же термообработке не растворяется в аустените. Только закалка стали от 1200° С приводит к полному растворению карбидов в стали с добавками и без них.

При высоких температурах микролегирующие добав­ ки церия и бора оказывают существенное влияние на свойства стали. Так, например, микролегирование стали

оптимальной. При увеличении добавки церия выше опти­ мума значение времени до разрушения резко уменьшает­ ся, но остается все же выше исходного значения.

Бор также увеличивает время до разрушения стали 1Х23Н18 при температуре 650° С и напряжении, равном 20 кГ/мм2, при всех исследованных добавках бора наблю­

224