Mikrostrukturne značilnosti vodno atomiziranega prahu iz
Ni-sup er zli t in e
Matjaž Torkar, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana B. Šuštaršič, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana
članek obravnava mikrostrukturne značilnosti vodno atomiziranega prahu iz Ni-superzlitine. Opravljena je bila sejalna analiza vodno atomiziranega prahu pri treh različnih tlakih vode in linijska analiza preko dendrit-nih vej v posameznih granulacijah prahu. Napravljen je bil preizkus kompaktiranja s stiskanjem v hladnem.
1. UVOD
Razvoj klasičnih superzlitin na osnovi niklja se je ustavil, ko je količina faze 7', ki služi za utrditev zlitine z izločanjem iz trdne raztopine, postala tako velika, daje zlitina po klasičnih postopkih vročega preoblikovanja postala praktično nepredelovalna in jo je bilo mogoče uporabiti le v litem stanju, to pa je bistveno omejilo področje njene uporabe.
Poznavanje procesov izločanja je pripeljalo do spoznanja, da je take zlitine mogoče pridobivati po postopkih metalurgije prahov, s čimer se lahko izognemo procesu vroče predelave zlitine z grobozrnato strjevalno strukturo in izločenimi karbidi po mejah zrn.
S postopkom atomizacije taline dosežemo mikro-kristalinično stanje zlitine, ki jo nato s postopkom vročega izostatskega stiskanja (HIP) zgostimo do končne oblike brez vmesne vroče predelave1-4.
Lastnosti zlitine lahko še izboljšamo s kontroliranim dodatkom različnih oksidov, ki služijo za disperzijsko utrjevanje zlitine5, v mešanico prahu pred kompakti-ranjem.
Ti postopki so vezani na poglobljeno teoretično poznavanje procesov in dogajanj in zato zahtevajo dodatne raziskave6'7. Hitro strjevanje omogoča doseganje mikrokristaliničnega ter v ekstremnih primerih celo amorfnega stanja.
Odprlo se je področje intermetalnih spojin s posebnimi lastnostmi in številne nove zlitine z do sedaj nepoznanimi kombinacijami sestavnih elementov, kar omogoča mehansko legiranje.
* Rokopis prejet: avgust 1991 ** Originalno objavljeno: ŽZB 1991/3
2.	Namen raziskave
Vodni atomizer in naprava za hladno (CIP) in vroče (HIP) izostatsko stiskanje, ki sta bila nabavljena v okviru preteklih paketov raziskovalne opreme RSS, sta omogočila, da so se na Metalurškem inštitutu ponovno pričele v preteklosti prekinjene raziskave na področju kovinskih prahov.
Poznano je, da vodna atomizacija ni ugodna za pridobivanje kovinskih prahov iz Ni-zlitin, ker te vsebujejo močno reaktivna elementa, kot sta Al in Ti, kar povzroči kontaminacijo prahu s kisikom.
V raziskavi smo želeli ugotoviti vpliv tehnoloških parametrov pri vodni atomizaciji na mikrostrukturne značilnosti atomiziranega prahu.
Poznavanje teh procesov je nujno potrebno, če želimo obvladati atomizacijo in kompaktiranje vodno atomiziranega prahu.
3.	Eksperimentalni del
Izvršene so bile tri atomizacije zlitine Nimonic 80 A. S spreminjanjem tlaka vode za razprševanje smo iskali vpliv spremembe tlaka vode na zrnatost atomiziranega prahu. Napravili smo sejalno analizo vodno atomiziranega prahu. Prah posamezne zrnatosti smo pregledali metalografsko in na rastrskem mikroskopu (REM) ter ugotavljali značilnosti oblike in mikrostrukture vodno atomiziranega prahu iz super-zlitine.
Z elektronskim mikroanalizatorjem (MPA) smo napravili linijsko analizo preko dendritov in izmerili spremembe vsebnosti kroma, niklja, titana in aluminija.
Na izostatski stiskalnici (CIP) smo stisnili v hladnem prah zrnatosti pod 63 /im s tlakom 700 MPa in določili "zeleno" gostoto stisnjenega prahu.
4.	Rezultati 4.1 Atomizacija
Napravljene so bile tri atomizacije zlitine Nimonic 80 A. Zlitina je bila pretaljena na zraku, po pretalitvi sta bila dodana Al in FeTi. Talina s temperaturo 1580°C
Slika 2
Morfologija prahu z zrnatostjo med 355 in 500 /im (a), med 125 in 180 /um (b) in pod 63 /tm (c) Figure 2
Morphology of povvder: 355-500 /im (a), 125-180 /im (b), and minus 63 /im (c)
je bila prelita v tundish, segret na 1240°C. Proces at-omizacije je bil končan v 90 sekundah.
Atomizacijo smo izvedli pri treh tlakih vode: 100, 180 in 250 barov.
4.2 Sejalna analiza
Po atomizaciji je bila 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 /tm do 63 /im,
Sejalna analiza je pokazala, da se povprečna gran-ulacija prahu spreminja v odvisnosti od tlaka vode. Z naraščajočim tlakom vode se povprečna zrnatost zmanjšuje.
Na diagramu na sliki 1 je prikazana sejalna analiza prahu pri treh tlakih vode. Z večanjem tlaka vode se povečuje delež zrn pod 63 /im, zmanjšuje pa se delež frakcij srednje velikosti.
<63 75 125 250 500 >1000 63	90 ISO 355 710
Velikost delcev - Partide size (urn)
Slika 1
Vpliv tlaka razpršilne vode na sejalno analizo prahu Figure 1
Influence of pressure of atomization water on the sieve analysis of powder
5. Metalografske preiskave
5.1 Rasterska mikroskopija
Na rastrskem mikroskopu smo pregledali morfologijo površine zrn po atomizaciji. Vodno atomiziran prah zlitine Nimonic 80 A je nepravilne oblike, delež zrn okrogle oblike je minimalen in jih je več le med najdrobnejšo frakcijo. Morfologija zrn z zrnatostjo med 355 in 500 /xm je prikazana na sliki 2a. Vidi se, da so zrna nepravilne oblike z drobnimi okroglimi delci, prilepljenimi na površini. Poleg tega se pri
večji povečavi opazi tudi posamezne dendritne veje, ki segajo do površine.
Naslednja skupina zrn zrnatosti med 125 in 180 /im je prikazana na sliki 2b. Tudi ta zrna so nepravilne, povečini razpotegnjene oblike, kar je posledica razmer pri atomizaciji, ko vodni curek udarja ob talino pod določenim kotom.
Slika 3
Mikrostruktura prahu z zrnatostjo nad 1400 /im (a), med 125 in 180 /im (b) in pod 63 //m (c) Figure 3
Morphology of powder: plus 1400 fim (a), 125-180 /im (b), and minus 63 fim (c)
Izgled zrn najdrobnejše zrnatosti pod 63 fim je prikazan na sliki 2c. Večina zrn je nepravilne oblike, vmes pa se opazi več okroglih delcev.
Po podatkih iz literature so zrna, ki niso okrogle oblike, bolj primerna za sintranje, ker stisnjen prah v hladnem doseže večjo "zeleno" trdnost, to je trnost kompaktiranega in nesintranega surovca.
Za teoretično obdelavo procesa sintranja je gotovo enostavnejše, če je prah pravilne okrogle oblike, kot je na primer prah, dobljen s pomočjo plinske atomizacije. Pri okroglih delcih se lažje matematično formulira dogajanje pri stiskanju in sintranju. Na tem področju obstajajo številne teoretične rešitve, ki skušajo čim bolj nazorno ponazoriti proces sintranja in zgoščevanja8.
5.2 Metalografski pregled prahu
Slika o prahu ne bi bila popolna, če ne bi pregledali tudi njegovih mikrostrukturnih značilnosti.
Metalografski pregled mikrostrukture prašnih zrn različne zrnatosti je pokazal, da je mikrostruktura pri vseh dendritna. Zrn v amorfnem stanju ni bilo opaziti.
Mikrostruktura prahu je prikazana na slikah 3a, b in c. Na vseh treh slikah je lepo vidna dendritna mikrostruktura. Z naraščajočo hitrostjo ohlajanja oziroma z manjšanjem velikosti prašnih zrn se manjšajo tudi dendriti in medendritna razdalja.
V literaturi je zaslediti vrsto empiričnih izrazov za odvisnost oddaljenosti sekundarnih dendritnih vej (DAS) od hitrosti ohlajanja. Le te so pri atomizaciji izredno velike, reda velikosti 104 do 106 K/s.
Seveda pa je eksperimentalno določanje hitrosti ohlajanja pri tako ekstremnih hitrostih praktično nemogoče izvesti.
6. Linijska mikroanaliza
Na podlagi metalografskega pregleda mikrostrukture prahov z različno zrnatostjo smo se odločili, da bomo s linijsko analizo na elektronskem mikroanalizatorju (MPA) izmerili spremembe koncentracije Cr, Ni, Ti in Al v dendritih različne velikosti ter določili koeficiente izcejanja.
Meritve so pokazale, da se največje nihanje koncentracije pojavi pri Ti, Si in Mn, pri Al, Cr in Ni pa komaj opazno. Z manjšanjem oddaljenosti sekundarnih dendritnih vej, oziroma z manjšanjem velikosti zrn prahu, se zmanjšujejo tudi spremembe v koncentraciji Ti.
Spreminjanje koncentracije, ki jo pokaže linijska analiza, v strjeni kapljici, v zrnu večjem od 1400 /j,m, v zrnu velikosti nad 125 /im in v zrnu pod 63 /zm, je prikazano na slikah 4, 5, 6 in 7.
Iz slik je razvidno, da se zmanjšuje razlika v koncentraciji Ti z zmanjševanjem dendritov, obenem pa se zmanjšuje tudi medsebojna oddaljenost izcej.
Ni Ti
l^/^tp^	Cr
A1
Cr
A^^/v^vvVvV^^	Al
Slika 6
Linijska analiza v zrnu velikosti med 125 in 180 /im Figure 6
Line analysis in the grain of 125-180 /im size
JOpm
Slika 4
Linijska analiza preko sekundarnih dendritnih vej v strjeni kapljici Figure 4
Line analysis across secondary dendrite branehes in solidified droplet
Linijska analiza v zrnu večjem od 1400 //m Figure 5
Line analysis in the grain bigger than 1400 /im
10 jjm
Cr
Slika 7
Linijska analiza v zrnu velikosti pod 63 /im Figure 7
Line analysis in the grain smaller than 63 /im
Tabela ls Izcejanje Ti v odvisnosti od zrnatosti prahu
Velikost delcev	Koeficient izcejanja Kri
(/im)	Km = Cmm/Črnin
kapljica	3,12
> 1400	2,87
125-180	2,02
< 63	1,31
V tabeli 1 je prikazan koeficient izcejanja, to je razmerje med največjo in najmanjšo koncentracijo Ti.
Koeficient se zmanjšuje z manjšanjem velikosti zrn prahu.
Sled kontaminacije, ki jo je pri linijski analizi preko dendritnih vej v strjeni kapljici napravil elektronski žarek, je prikazana zana na sliki 8.
Razporeditev elementov v dendritu na mestu linijske analize je prikazan na sliki 9. Iz slike je razvidno, da se izceje opazijo le pri Ti, Mn in Si.
Slika 8
Sled kontaminacije z elektronskim žarkom pri linijski analizi v strjeni kapljici
Figure 8
Trace of contamination by electron beam in line analysis in the solidified droplet
Slika 9
Posnetek specifičnih x-žarkov na mestu linijske analize v strjeni kapljici
Figure 9
Specific x-ray picture on the line analysis trace in the solidified droplet
7. Preizkus kompaktiranja v hladnem
Pri kompaktiranju je glavna naloga čim bolj odpraviti poroznost in dobiti čim bolj kompakten material, primeren za nadaljno vročo predelavo.
Kompaktiranje v hladnem je lažje pri prahovih, ki imajo delce nepravilnih oblik. Taka oblika je značilna za delce, dobljene z vodno atomizacijo. Nasprotno pa pri plinski atomizaciji prevladuje sferična oblika delcev, ki težje dosežejo opaznejšo "zeleno" trdnost pri kompaktiranju v hladnem. Prah zrnatosti pod 63 Mm smo kompaktirali v hladnem (CIP) na izostatski stiskalnici pri tlaku 700 MPa in dobili gostoto surovcev med 5,87 in 6,00 g/cm3, kar predstavlja okrog 72% teoretične gostote.
Metalografski izgled v hladnem kompaktiranega materiala je prikazan na sliki lOa, kjer se lepo vidi preostalo poroznost med kompaktiranimi delci (slika lOb). Popolnoma se lahko material zgosti le pri vročem izostatskem kompaktiranju, kar bo predmet prihodnjega raziskovanja.
Slika 10
Mikrostruktura vzorca po hladnem kompaktiranju (a) in preostala poroznost (b)
Figure 10
Microstructure of the sample after cold isostatic pressing (a), and the residual porosity (b)
8. ZAKLJUČKI
Glavni namen raziskave je bil predvsem ugotavljanje osnovnih parametrov, ki pri vodni atomizaciji lahko vplivajo na morfologijo ter lastnosti prahu.
Ker Ni-superzlitina Nimonic 80 A vsebuje močno reaktivna elementa Ti in Al, je nagnjenost zlitine k kontaminaciji s kisikom velika.
Na podlagi opravljene raziskave, ki zaradi odpiranja tega pri nas novega področja (vodna atomizacija) še ne omogoča globljih znanstvenih spoznanj, smo pridobili prve izkušnje, ki bodo dragocene pri nadaljnjem delu in načrtovanju raziskav. Čeprav je vodna atomizacija primerna predvsem za pridobivanje prahov iz brzoreznih in drugih jekel, smo zaradi spoznavanja procesov pri atomizaciji opravili tudi atomizacijo Ni-superzlitine.
Raziskava je pokazala, da je velikost delcev pri vodni atomizaciji precej odvisna od tlaka vode pri razprševanju. Z večanjem tlaka vode se povečuje delež drobnozrnate frakcije pod 63 fj,m v prahu.
Metalografske preiskave so pokazale, daje strjevanje dendritno tudi pri najdrobnejši frakciji. Amorfnih zrn ni bilo opaziti. Linijska analiza na elektronskem mikroanalizatorju je pokazala, da se oddaljenost sekundarnih dendritnih vej zmanjšuje z manjšanjem velikosti zrn. To je dokaz, da se pri zmanjšanju velikosti zrn ohlajevalna hitrost povečuje.
Preizkus kompaktiranja najdrobnejše frakcije v hladnem (CIP) na izostatski stiskalnici je pokazal, da je pri tlaku 700 MPa možno doseči 72% teoretične gostote.
O uporabnosti kompaktiranega materiala iz vodno atomiziranega prahu zaenkrat še ni mogoče govoriti, ker bodo v nadaljevanju raziskave opravljeni preizkusi vročega kompaktiranja (HIP) in nadaljnja vroča predelava tako zgoščenega materiala ter določene njegove lastnosti.
LITERATURA
1.	P. Donner, H.W. Vollmer. Metali 44, Heft 1, 1990, 33-40
2.	J. Beuers, E. Lange, M. Poniatowski: Metali 43, Heft 10, 1989, 963-967
3.	W.R. Streck: Metali 43, Heft 11, 1989, 1099-1105
4.	C.G. Levi: Metailurgical Transactions A, 19 A, 1988, 699-708
5.	J. Rosler: Proccedings EUROMAT 89, 22,-24.11.1989, Aachen, 327-332
6.	T.B. Gibbons: Proccedings EUROMAT 89, 22.-24.11.1989, Aachen, 315-325
7.	G.W. Meetham: Proccedings EUROMAT 89, 22.-24.11.1989, Aachen, 305-314
8.	S.V. Nair, J.K. Tien: Metailurgical Transactions A, 18 A, 1987, 97-107
ZUSAMMENFASSUNG
Hauptzvveck der Untersuchungen war den Einflufi der Grundparameter festzustellen, welche bei der Wasserver-diisung die Morphologie und die Eigenschaften des Met-allpulvers aus einer Ni-Superlegierung beeinflussen konnen. Die Ni-Superlegierung Nimonic 80A enthalt stark reaktive Elemente Al und Ti, und ist desvvegen fiir die Kon-taminierung durch SauerstofF sehr empfindlich.
Die Untersuchungen zeigten, dafi die Teilchnegrofie bei der Wasserverdiisung von dem Wasserdruck bei der Verdiisung abhangig ist. Mit dem vvachsenden Wasser-druck wachst der Anteil der feinen Fraktion unter 63 /im. Die Kontaminierung von Metallpulver durch Sauerstoff vvachst mit dem Verkleinem des Wasserdruckes fiir die Verdiisung.
Metallographische Untersuchungen zeigten, dafi die Er-starrung auch bei den feinsten Pulverfraktionen dendri-tisch ist.
Linienanalyse am Elektronen mikroanalysator (MPA) zeigte, dafi die Entfernung der Aste der Sekundarden-driten beim Verkleinern von Pulverkorn kleiner wird, dafi beweifit aber, dafi beim Verkleineren der Korngrofle die Kiihlgeschvvindigkeit grofier vvird.
Die Messungen zeigten nur Titan Seigerungen die sich verkleinern mit dem Verkleinern von Pulverkorn.
Der Kompaktierungsversuch der kleinsten Fraktion im kalten Zustand (CIP) auf der isostatischen Presse zeigte, dafi beim Druck von 700 MPa moglich ist 72% der theo-retischen Dichte zu erreichen.
SUMMARY
The aim of the project vvas to determine the basic parame-ters vvhich can influence the morphology and properties of the Ni-superalloy povvder in water atomization.
Ni-superalloy Nimonic 80 A contains highly reactive elements Al and Ti and thus it is sensitive for the contami-nation by oxygen.
The investigation showed that the size of particies in water atomization depends on the pressure of atomization vvater. The increased vvater pressure increases the portion of fine povvder belovv 63 fim. Contamination vvith oxygen
is higher vvith the reduced pressure of atomization vvater.
Metallographic tests revealed dendritic solidification even in the finest povvder particies.
Line analysis by electron micro probe analyzer showed that spacing of secondary dendrite branches is reduced vvith the reduced particle size vvhich proves the increased cooling rates in smaller particies.
Compacting test of the finest povvder fraction in the cold isostatic press (CIP) shovved that 72% of theoretical den-sity can be achieved at the pressure of 700 MPa.