Vodna atomizacija in zgoščevanje Ni-superzlitine Water Atomization and Consolidation of Ni-based SuperaIloy M. Torkar, B. Šuštaršič, J. Žvokelj, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana Prikazane so mikrostrukturne značilnosti in postopek zgoščevanja vodno atomiziranega prahu iz Ni-superzlitine. Izvršen je bil preizkus kompaktiranja s stiskanjem v hladnem, sintranje v vakuumu in vroče iztiskovanje. Določene so bile mehanske lastnosti toplotno obdelanega materiala. Raziskava je pokazala, da je vodno atomiziran prah iz Ni-superzlitine manj primeren za kompaktiranje zaradi velikega števila vključkov. Ključne besede: Ni-superzlitina, vodna atomizacija, kompaktiranje, vroče iztiskovanje Powder of Ni-superalloy was manufactured through water atomization and investigated. The compaction of powder with eold isostatic pressing, vacuum sintering and hot extrusion were tested. Metallographical observations and micro probe analysis were performed. Also mechanical properties of hot extruded material were determined. The results indicate that sintering of particles covered with oxyde film is possible. The mechanical properties of heat treated material show that water atomized powder of Ni-superalloy is less propensive to consolidation due to great number of inclusions. Key words: Ni-based superalloy, water atomization, consolidation, hot extrusion 1 Uvod Razvoj postopkov metalurgije prahov je omogočil izdelavo številnih zlitin, pri katerih se želimo izogniti vroči predelavi zlitine z grobozrnato strjevalno strukturo in izločenimi karbidi po mejah zrn. Z atomizacijo taline dosežemo mikrokristalinično stanje zlitine, ki jo nato s hladnim izostatskim stiskanjem (CIP), sintranjem, vročim izostatskim stiskanjem (HIP) ali z vročim iztiskovanjem (ekstruzija) zgostimo do končne oblike14. Mehansko legiranje predstavlja v osnovi izdelavo zlitin z mešanjem in zgoščevanjem prahov z različnimi lastnostmi, brez klasičnega pretaljevanja. Ta postopek omogoča izboljšanje lastnosti zlitine, kot je disperzij sko utrjevanje z oksidi (ODS), ki ga lahko dosežemo, če kovinski osnovi primešamo majhno količino drobnozr-natih oksidnih delcev \ Med postopkom vodne atomizacije se pojavi kontaminacija prahu s kisikom, zato se postavlja vprašanje, če je mogoče z oksidacijo primernih sestavin zlitine, doseči ODS učinek v materialu po konsolidaciji. Če hočemo dobiti odgovor na to vprašanje, moramo najprej spoznati značilnosti vodno atomiziraneNi-super-zlitine. V literaturi ni zaslediti podatkov o vodni atomizaciji Ni-superzlitine, ki jo smatramo za problematično zaradi možne oksidacije Ti in Al, ki tvorita stabilne okside, kijih ni mogoče enostavno reducirati. Neznanka, ki se pri vodno atomiziranih prahovih pojavlja, je tudi vpliv oksidnega filma na sposobnost sintranja delcev. Nova teoretična in praktična znanja so omogočila razvoj različnih tehnik zgoščevanja, kot je npr. sintranje s staljeno fazo6, vroče izostatsko sintranje ali vroče iztiskovanje. Tudi zunanji tlak pomembno vpliva na proces sintranja 7. V našem primeru smo vpliv tlaka zanemarili, ker smo vzorce sintrali v vakuumu. 2 Namen raziskave Vodna atomizacija ni najugodnejši postopek za pridobivanje kovinskih prahov iz zlitin, ki vsebujejo močno reaktivne elemente, kot sta na primer Al in Ti, ker pride do kontaminacije prahu s kisikom, lahko pa nastajajo tudi stabilni oksidi. Vodna atomizacija bi bila lahko zanimiva tudi s stališča pojava disperzij skega utrjevanja zlitine z drobnimi oksidi, ki bi nastali med vodno atomizacijo. Izvedba postopka vodne atomizacije je enostavnejša in cenejša kot pri plinski atomizaciji. Zaradi manjših hitrosti ohlajanja je velikost plinskega atomizerja večja od vodnega atomizerja. Poznavanje postopka vodne atomizacije Ni-superzlitine je nujno potrebno, če želimo obvladati atomizacijo in kom- paktiranje vodno atomiziranega prahu V raziskavi smo želeli ugotoviti kakšne so mikrostruk-turne značilnosti vcxlno atomiziranega prahu in kako oksid-ni film na površini delcev vpliva na sintranje v vakuumu. 3 Eksperimentalni del Izvršena je bila vodna atomizacija Ni-superzlitine. S spreminjanjem tlaka vode za razprševanje smo iskali njegov vpliv na zniatost atomiziranega prahu. Napravili smo sejalno analizo vodno atomiziranega prahu. Prah posamezne zrna-tosti smo pregledali metalografsko in na rastrskem mikroskopu (REM) ter ugotavljali značilnosti oblike in mikrostrukture vodno atomiziranega prahu izNi-superzlitine Osnovne značilnosti vodno atomiziranega prahu smo že opisali8. Na izostatski stiskalnici (CIP) smo stisnili prah zrnato-sti pod 63 (.im s tlakom 700 MPa v hladnem m določili "zeleno" gostoto stisnjenega prahu. Izvršili smo preizkus sintranja s segrevanjem vzorcev do 1300°C v dilatometru, ki omogoča merjenje raztezka in diferenčnega raztezka Sintranje v vakuumu smo izvedli pri temperaturah 1230°C in 1270°C in izmerili preostalo poroznost. Vzorce za vroče iztiskovanje (ekstruzija) smo hladno izostatsko stisnili, sintrali 2 uri pri temperaturi 1230°C, ohladili, ogrevali v komorni peči na 1150°C in iztisnili v palice premera 17 mm. Iztisnjen material smo metalografsko pregledali in napravili analizo vključkov. Pregledali smo značilnosti preloma pred in po toplotni obdelavi in določili mehanske lastnosti. Slika 1 .Morfologija prahu 7. zrnatostjo pod 63 jim. Figure 1. Morphologv of povvder vvith particles below 63 um. 4 1 Značilnosti vodno atomiziranega prahu Atomizacijo smo izvedli pri treh tlakih vode: 100, 180 in 250 barov. Poatomizacijijebila iz posode s prahom preko filtra dekantirana voda, prah pa je bil osušen pri 125°C v vakuumu. Osušen prah smo presejali na sejalni napravi z vrsto sit z odprtinami od 1400 pm do 63 um. Sejalna analiza je pokazala, da se povprečna granulac-ija prahu spreminja v odvisnosti od tlaka vode. Z naraščajočim tlakom vode se povprečna zrnatost zmanjšuje, zmanjšuje pa se tudi vsebnost kisika v delcih 8. Za preizkus sintranja smo izbrali zrnatost prahu pod 63 pm. Na sliki 1 je prikazana morfologija vodno atomiziranega prahu, na sliki 2 pa strjevalna mikrostruktura. Prah smo raztapljali v raztopini jod-metanola, ki raztaplja samo kovinsko osnovo, oksidov pa ne. Na ta način smo dobili neraztopljen oksidni film, ki pokriva vodno atom-izirane delce. Izgled oksidnega filma je prikazan na sliki 3, posneto na vrstičnem mikroskopu Pod optičnim mikroskopom opazimo, da je oksidni film prozoren, pogosto pa se opazijo tudi mavrične interferenčne barve. Slika 2. Mikrostruktura prahu z zrnatostjo pod 63 |Xm. Figure 2,Optical micrographs of povvder vvith particles belovv 63 5 Preizkus sintranja 5.1 Merjenje raztezka pri sintranju Preizkusni vzorci so imeli po hladnem izostatskem stiskanju 72% teoretične gostote. Valjčki so bili vpeti v dilatoin-eter, ki omogoča merjenje raztezka in relativnega raztezka med segrevanjem do 1300°C Rezultati meritev so prikazani na sliki 4 in na sliki 5 Iz obeh slik je razvidno, da se intenzivnejše sintranje prične okrog temperature 1070°C, največji diferenčni raztezek pa je -1.14% / min, pri m K141882 m 87-84-1992 13.9 le) l>y Bab Geratebau GubH Slika 3. Ostanki neraztopljenega Oksidnega filma (REM). Figure 3. Undisolved oxide film (REM). Slika S. Diferenčni raztezek med segrevanjem vzorca v argonu do 1300°C. Figure 5. Diferential extension during reheating in argon atmosphere up to 1300°C. ->'C lES 8BAB1 E3 E3J «141002 87-84-1992 EJ 13.9 »m (c) by Bahr Geratebau GmbH Slika 4. Relativni raztezek med segrevanjem vzorca v argonu do 1300°C. Figure 4. Relative extension during reheating in argon atmosphere up to 1300°C. temperaturi 1277°C. Za primerjalni material je služil A1203, referenčno stanje pri 20°C. 5 .2 Pregled sintranili vzorcev Na rastrskem mikroskopu smo pregledali morfologijo površine in prečni presek vzorcev po sintranju pri 123 0°C in 1270°C. Tako na površini kot tudi v notranjosti opazimo na posameznih mestih poroznost, tako da so meritve pokazale pri prvi temperaturi 86% pri drugi temperaturi pa 92% teoretične gostote. Očitno torej s sintranjem v vakuumu ni mogoče doseči popolne zgostitve materiala. Preostale pore so bile pretežno trikotne oblike, kar potrjuje, da gre za nezapolnjene praznine med posameznimi zrni. Pore so bile enakomerno razporejene po osnovi. Pojava tekoče faze med zmi ni bilo opaziti. Za popolno zgostitev materiala je torej nujno potrebno po sintranju uporabiti še vroče izostatsko stiskanje ali vroče iztiskovanje. Slednjega smo tudi preizkusili. 5 .3 Vroče iztiskovanje Preizkuse vročega iztiskovanja smo napravili pri firmi Metallgeselschaft iz Frankfurta v Nemčiji. V vakuumu sintrani valjasti vzorci, premera 65 mm, so bili segreti na temperaturo 1150°C,postavljenivrecipientsegretna 500°C in z uporabo maksimalnega pritiska 400 MPa iztisnjeni v palice premera 17 mm. Hitrost iztekanja palice je bila 37.8 m/min. Mazanje je bilo s staljenim steklom. Površina palice (Slika 6) je bila gladka, palica pa se je med iztiskovanjem krivila, kar je po zagotovilu operaterja na iztiskovalni napravi običajen pojav pri relativno majhnih vzorcih. jHu|ui!|iin|HH|ini|mi|HH|ii!ij uu u Slika 6. Izgled ekstrudirane palice. Figure 6. Extruded rod. :Mil| / V. * -„* - v ■ *"* " -*"• J ..-.v S; - . .. " ■ ; f '* ... , . « - / * A - * * f- - ■ I'«. . * * * '■a * * " * ■ S : - ," C ' ' V - . - .. 5 ; ^ " . *» ♦ * _ * * ' * Vi "J" ; • • . ' ..V A* ■ * ' „ ^ , J, . « i * » -j* * * * ' * " „ « ' -.V " * • * , *■ * 50pm 5 .4 Metalografski pregled Vroče iztiskovan material smo metalografsko pregledali. Prečni presek je pokazal pod površino kolobar, v katerem so prevladovali manjši vključki, medtem ko je bilo bliže sredini palice opaziti več temno sivih zrnatih vključkov. Na vzdolžnem preseku palice so vključki razpotegnjeni v nizih. Na sliki 7 je prikazano področje ob površini, kjer prevladujejo drobnejši vključki, na sliki 8 pa področje, kjer opazimo več zrnatih vklj učkov. Večj i vklj učki so temno s ive barve, razpotegnjeni vključki, ki v resnici predstavljajo nize drobnih posameznih vključkov pa so rožnate barve. Vzrok za tako razporeditev vključkov v iztiskovanem materialu nam ni poznan, najverjetneje pa je posledica razmer pri iztiskovanju. Slika 8. Optični posnetek področja blizu sredine palice z zrnatimi in razpotegnjenimi nizi vključkov (vzdolžni prerez palice). Figure 8. Micrographs ofthe central part of extruded rod with grainy and elongated inclusions (longitudinal section). r- % »C, • ■» ; • # ■ m,, js "! I - JHi «Js39 m 1 ' ^ " .................... I K >.'•' -»'s ' - .. •• .......' = 50 (jm Slika 7. Optični posnetek področja ob površini, kjer prevladujejo drobni razpotegnjeni vključki (vzdolžni prerez palice). Figure 7. Micrographs of area near the surface, where small and elongated inclusions prevail (longitudinal section). 5.5 Analiza vključkov S pomočjo elektronskega mikroanalizatorja smo napravili posnetke razporeditve specifičnih elementov, ki so prisotni v vključkih. Ugotovili smo, da je v temno sivih vključkih prisoten Al, torej predstavljajo vključke Al,Or Vdrobnejših vključkih rožnate barve je prisoten Ti, torej gTe najverjetneje . -.' i * ; iai«?;'*®*- *. iSSSTi&s' mmtmm.tSte v.. • ^ k, . .-..v * ES Ni "c7f Fe Co Si , Ti Al Mn Zr Slika 9. Posnetek specifičnih x-žarkov na mestu kjer sta prisotni obe vrsti vključkov (EPMA). Figure 9. Specific x-ray pieture ofthe area vvhere the both tvpes of inclusions are present (EPMA). M. Torkar: Vodna atomizacija in zgoščevanje Ni-superzlitine Tabela 1: Predpisane in izmerjene mehanske lastnosti Predpisano Izmetjeno Natezna trdnost (Rm) 1.200 N/mm2 1.080 N/mm2 Napetost tečenja (Rp 0.2) 800 N/mm2 764 N/mm2 Raztezek (A) 24% 8% Kontrakcija (Z) 42% 14% Modul elastičnosti (E) 183.000 N/mm2 -- 125.000 N/mm2 za vključke oziroma izločke Ti(C,N). Na sliki 9 je prikazana razporeditev elementov na področju, kjer sta prisotni obe vrsti vključkov. Zanimiva bi bila vsekakor tudi razporeditev kisika, ki pa ga naš mikroanalizator žal ne more zaznati. 5.6 Mehanske lastnosti Iztiskan material smo toplotno obdelali po predpisu, ki velja za to material (8 ur na 1080°C + 16 ur na 700°C) in napravili mehanske preiskuse. V tabeli 1 so prikazani rezultati meritev, zn primerjavo pa so podane še vrednosti, ki so predpisane za iztiskovan material. Iz tabele je razvidno, da so dosežene mehanske lastnosti slabše od predpisanih, kar je posledica velikega števila vključkov, ki vplivajo na slabšo natezno trdnost, raztezek in kontrakcijo. Toplotno obdelan material smo tudi prelomili in opazovali na vrstičnem mikroskopu naravo preloma. Prelom, kije prikazan na sliki 10 je žilav, jamičast v jamicah pa so drobni vključki 6 Zaključki Kompaktiranje v hladnem je lažje pri prahovih, ki imajo delce nepravilnih oblik Taka oblika je značilna za delce, dobljene z vodno atomizacijo, to pa omogoča tudi doseganje boljše "zelene" trdnosti pri kompaktiranju v hladnem. Vodno atomiziran prah Ni-superzlitine, zrnatosti pod 63 (im smo kompaktirali v hladnem (CIP) na lzostat-ski stiskalnici pri tlaku 700 M Pa m dobi 11 gostoto surovcev med 5,87 in 6,00 g/cm3, kar predstavlja okrog 72 % teoretične gostote. Preizkusi sintranja so pokazali, daje mogoče doseči pri sintranju v vakuumu do 92 % teoretične gostote, za nadaljno zgostitev pa je potrebno uporabiti bodisi vroče izostatsko stiskanje ali vroče iztiskavanje. Intenzivno sintranje se prične pri temperaturi 1070°C, največji diferenčni raztezek -1 14% /min pa je bil izmerjen pri temperaturi 1277°C. Preizkus vročega iztiskovanja je pokazal, da je bilo sintranje vodno atomiziranega prahu iz Ni-zlitine uspešno, saj je bila palica, ki smo jo dobili po iztiskovanju praktično brez napak. Slika 10. Prelom toplotno obdelanega materiala (REM). Figure 10. Fracture ofthe heat treated material (REM). Metalografska analiza je pokazala številne vključke. Prevladujejo zrnati vključki. Večji so sive barve in enakomerno razporejeni po osnovi, pri čemer opazimo ob površini ozek pas, kjer je večjih vključkov manj. Drobnejši vključki so rožnate barve in sestavljajo razpotegnjene nize. Prvi vključki so oksidi Al, drobnejši vključki pa so Ti(C,N). Mehanske lastnosti materiala po konsolidaciji in toplotni obdelavi so slabše od predpisanih, kar pripisujemo velikemu številu vključkov. Prelom je žilav, jamičast, v jamicah opazimo vključke. Vodno atomiziran prah Ni-superzlitine je s stališča mehanskih lastnosti manj primeren za konsolidacijo, in postavlja se vprašanje, kako bi se ta material zaradi številnih vključkov obnaša lv pogojih trajne obremenitve pri povišanih temperaturah. 7 Zahvala Avtorji se zahvaljujejo Ministrstvu za znanost in tehnologijo za financiranje raziskave. 8 Literatura 1 P. Donner, H.W. Vollmer: Metali 44, Heft 1, 1990, 33-40 2 J. Beuers, E. Lange, M. Poniatovvski: Metali 43, Heft 10, 1989, 963-967 3 W.R. Streck: Metali 43, Heft 11, 1989, 1099-1105 4 C.G. Levi: Metallurgical Transactions A, 19 A, 1988, 699-708 5 J. Rosler: Proeeedings EUROMAT 89, 22.-24.11.1989, Aachen, 327-332 6 C. Hu, T.N.Baker: Materials science and Technology, vol.9, 1993, 48-56 ' M.Koizumi, M.Nishihara: Isostatic Pressing, Techno-logy and Applications, Elsevier Applied Science, London, 1991, 20 8 M.Torkar, B.Šuštaršič: Železarski zbornik, 25, 1991, št. 1, 97-103