Study of the structure and properties of products made of heat-resistant alloys based on Ni-Cr-CrN with a high nitrogen .pdf На сегодняшний день при стремительном развитии технологий возрастают требования к эксплуатационным характеристикам узлов и агрегатов, в частности для таких областей, как авиастроение, атомная энергетика, в которых широко применяются газотурбинные двигатели. Такие агрегаты должны отвечать ряду требований: обладать высокими показателями жаропрочности, жаростойкости, износостойкости. Это формирует ряд научных проблем, связанных с разработкой новых конструкционных материалов, обладающих повышенными механическими характеристиками, сохраняющимися при высокотемпературных воздействиях. При этом ресурс материалов, применяемых в настоящий момент, исчерпан, их дальнейшее усовершенствование дает незначительные результаты при существенных затратах, в связи с чем актуальностью обладает разработка принципиально новых материалов и подходов к их изготовлению, способных существенно повысить механические характеристики деталей газотурбинных установок при высокотемпературных воздействиях. В настоящее время в машиностроении широко применяются жаропрочные никелевые сплавы, рабочие температуры которых находятся в области 1 100°С. Одним из таких жаростойких сплавов является Ni-Cr [1-4]. Он обладает высокой стойкостью к окислению до 1 200°С [5]. Однако прочность и износостойкость никельхромовых сплавов невысока, особенно при высоких температурах. Так, по данным работы [6] прочность на изгиб Ni-Cr достигает 660 МПа при содержании пор около 15%, что вдвое превосходит прочность на изгиб чистого Ni (330 МПа) [7]. Для улучшения механических характеристик в систему Ni-Cr вводятся различные добавки. Одним из перспективных путей повышения механических свойств никель-хромовых сплавов является легирование их азотом [8]. Азот наряду с никелем является стабилизатором у-фазы системы Cr-Ni-N. Это позволяет повысить концентрацию хрома в нихроме с сохранением у-структуры и значительно улучшить эксплуатационные характеристики: высокую прочность при высокой вязкости и высокую прочность при высоких температурах. Для выплавки азотированного нихрома используется нитрид хрома, добавляемый в расплав в качестве лигатуры. Для синтеза нитридов хрома возможно использование свободного спекания и метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [9]. Метод СВС более эффективен: во-первых, он более экономичен (отсутствие затрат электроэнергии), во-вторых, позволяет получать более чистые нитриды хрома, в особенности данный метод способствует снижению содержания кислорода. Низкое содержание кислорода обеспечивает высокое и стабильное усвоение азота никель-хромовым расплавом. Новый уровень развития газотурбинных установок в будущем могут обеспечить только принципиально новые материалы и технологии, так как традиционные уже исчерпали себя, и дальнейшее их использование дает незначительные результаты при существенных затратах. Наряду с разработкой материалов не менее важной задачей является разработка способов формирования изделий из них, так как 120 Зиатдинов М.Х., Жуков А.С., Евсеев Н.С. и др. Исследование структуры и свойств изделий с развитием техники возрастает сложность геометрии отдельных функциональных узлов; при этом подходы к изготовлению изделий должны обладать высокой экономической эффективностью. В области развития методов изготовления сложнопрофильных изделий аддитивные технологии, активно развивающиеся в настоящий момент, представляют собой инновационный инструмент для решения задач различных отраслей промышленности. Одно из важнейших направлений аддитивных технологий - лазерное выращивание металлических изделий. Особенно актуальным является производство деталей сложных узлов аэрокосмической техники, в частности жаростойких элементов турбореактивных двигателей. На сегодняшний день одним из наиболее развитых и перспективных методов для изготовления сложнопрофильных металлических изделий является технология послойного лазерного спекания порошков (технология SLS) [6]. При помощи SLS разрабатываются точные сложнопрофильные детали для работы в составе узлов и агрегатов. Данный процесс способен успешно заменить традиционные методы производства, так как физико-механические свойства изделий, построенных по технологии SLS, зачастую превосходят свойства изделий, изготовленных по традиционным технологиям. Кроме того, в некоторых случаях сложнопрофильные детали невозможно получить традиционными методами [10]. Важнейшими проблемами при изготовлении изделий аддитивными методами являются определение технологических параметров выращивания и соответствие характеристик исходного порошкового материала определенным требованиям, одно из которых - форма частиц, которая должна быть близка к сферической. Имеется ряд работ, в которых исследуется получение изделий из хром-никелевых сплавов аддитивными методами. Так, в работе [11] экспериментальные образцы системы Ni-Cr с микротвердостью 320 HV получены методом селективного лазерного сплавления. В работе [12] проводилась лазерная наплавка (метод LMD) лабораторных образцов из Ni-Cr-N при различных технологических параметрах; микротвердость по Виккерсу полученных образцов достигала 310 HV. В работе [13] приведены исследования микроструктуры и механических свойств одного из вариантов никель-хромовых сплавов - сплава марки Inconel 625, полученного методом аддитивной дуги (WAAM): средняя микротвердость сплава Inconel 625 составила 264 HV. В результате развития SLS-технологии появляются новые модификации, основанные на данной методике, позволяющие достичь большей точности и повысить технологические характеристики формируемых изделий. Одной из таких модификаций является методика прямого лазерного сплавления металлов (DMLS), разработанная и запатентованная компанией EOS и позволяющая увеличить точность выращивания изделия и повысить сложность геометрии за счет нанесения нового материала для каждого слоя [10]. Несмотря на существующие исследования по получению изделий из сплавов Ni-Cr аддитивными методами (SLM, SLS, WAAM), а также большой интерес различных групп авторов к системам Ni-Cr и Ni-Cr-N, отсутствуют работы в области получения изделий Ni-Cr-N методом DMLS. Однако такой метод достаточно эффективен, а определение режимных параметров при получении аддитивных изделий данным методом является актуальной задачей. Таким образом, целью настоящей работы является аддитивное выращивание материалов Ni-Cr-CrN методом DMLS и исследование их структуры и физикомеханических характеристик. 121 Механика / Mechanics Материалы и методика эксперимента Процесс получения исходного композиционного порошка системы Ni-Cr-CrN и аддитивных образцов на его основе включал в себя четыре основных технологических этапа (рис. 1). Рис. 1. Схема получения Ni-Cr-CrN материалов Fig. 1. Main stages of obtaining Ni-Cr-CrN materials Первый этап - получение нитрида хрома. Синтез нитрида хрома осуществлен при помощи метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в реакторе высокого давления. Для синтеза CrN использовали порошок алюмотермического хрома с чистотой 99.0%. Подробно процесс получения CrN методом СВС описан в работе [14]. Второй этап - получение азотированного никель-хромового сплава Ni-Cr-CrN. Для этого CrN, полученный на первом этапе, вводился в расплав Ni-Cr в качестве лигатуры. Температура расплава никель-хромового сплава марки Х20Н80 составляет ~ 1 500°С. При получении порошков азотированного нихрома (0.3-0.5% N) температура расплава повышалась до 1 550-1 600°С, затем в расплав добавлялся порошок нитрида хрома, полученный методом СВС. В результате был получен никель-хромовый азотистый сплав Ni 55%; N 0.5-0.7%; Cr - ост. На третьем этапе производилась атомизация полученного легированного сплава для получения порошков сферической формы, обладающих высокой текучестью и пригодных для формирования изделий аддитивными методами послойного лазерного выращивания. Процесс сфероидизации Ni-Cr-CrN осуществлялся в колонне распыления с вакуумной камерой с дальнейшей классификацией и сфероидизацией композиционного порошка в индукционно связанной плазме. В результате был получен порошок Ni-Cr-CrN сферической формы с диаметром частиц 20-80 мкм. Химический состав полученного порошка, который являлся исходным компонентом при создании аддитивных изделий, представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав порошка Ni-Cr-CrN после сфероидизации Химический состав, мас. % Ni Cr N C Fe Al Si P S O основа 45.0 0.5 0.014 0.17 0.05 0.12 0.01 0.0012 0.15 122 Зиатдинов М.Х., Жуков А.С., Евсеев Н.С. и др. Исследование структуры и свойств изделий Содержание азота и кислорода определялось методом инфракрасной спектроскопии на установке ТСН600 фирмы LECO. Полученный легированный сплав в порошковой форме содержал 45% хрома, 0.5% азота и 0.5% примесей, находившихся в исходном никель-хромовом сплаве и внесенных на этапе легирования. Четвертым технологическим этапом являлось аддитивное лазерное выращивание образцов из сферического композиционного порошка системы Ni-Cr-CrN методом прямого лазерного сплавления металлов DMLS. Для выращивания аддитивных образцов в настоящей работе использовалась установка EOS M270 (Германия) с опцией открытого редактирования режимов, расположенная в НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Выращивание образцов производилось в атмосфере воздуха. Мощность лазерного излучения варьировала в диапазоне 100-200 Вт, скорость движения лазерного луча - в диапазоне 6001 100 мм/с. В результате были изготовлены экспериментальные образцы в форме балок размером 5 х 5 * 25 мм. Гранулометрический состав порошков определялся при помощи анализатора Analysette 22 MicroTec plus фирмы FRITSCH методом лазерной дифракции. Рентгенофазовый анализ проводился с использованием многофункционального рентгеновского дифрактометра Rigaku Ultima IV с CuKa-излучением на основе базы данных PDF-2. Исследование морфологии, микроструктуры и элементный анализ исходного порошка и полученных аддитивных материалов проводили методами сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа на исследовательском комплексе TESCAN Vega. Определение микротвердости по Виккерсу проводилось на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке 300 г и времени выдержки 10 с. Определение прочности полученных образцов производилось путем испытания на трехточечный изгиб в соответствии с ГОСТ 24409-80 с помощью универсальной испытательной машины Zwick Roell. Результаты и обсуждение В настоящей работе выращены экспериментальные образцы из полученного композиционного порошка системы Ni-Cr-CrN. Дифрактограммы поверхности исследуемых образцов № 1 и № 2 приведены на рис. 2. Согласно результатам рентгенофазового анализа, фазовый состав образцов № 1 и № 2 представлен фазой Cr2Ni3 с гранецентрированной (ГЦК) кристаллической решеткой с параметром решетки a = 3.579 А. При этом фазовый состав исходного порошка и полученных образцов идентичен. В результате проведенных механических испытаний определены предел прочности на изгиб и микротвердость по Виккерсу аддитивных материалов. Результаты испытаний образцов в зависимости от использования стандартных режимов селективного лазерного сплавления порошков Ni-Cr-CrN (применяемых при сплавлении стальных материалов) на установке EOS представлены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что наибольшее значение микротвердости и предела прочности на изгиб достигается при мощности лазера 200 Вт и скорости движения луча 800 мм/с. Очевидно, это связано с большим временем теплового воздействия, в результате чего частицы порошка проплавляются более однородно, что приводит к более плотной структуре материала и увеличению его механических характеристик. На рис. 3 показан внешний вид образцов после испытаний на изгиб. Исходя из характера деформирования образцов и разрушения с сохранением 123 Механика / Mechanics целостности образца при образовании трещины, возможно сделать вывод, что полученные материалы обладают высокой пластичностью. Рис. 2. Дифрактограммы поверхности полученных образцов: а - № 1, b - № 2 Fig. 2. Diffraction patterns of the surface of samples nos. (a) 1 and (b) 2 Т аблица 2 Механические свойства исследуемых образцов, полученных из порошка Ni-Cr-CrN при сплавлении в стандартных режимах DMLS № образца Скорость движения лазерного луча, мм/с Мощность лазерного излучения, Вт Предел прочности на изгиб, МПа Микротвердость, HV 1 800 200 1 500 450 2 1 000 200 1 400 380 3 800 150 1 380 370 4 900 170 1 350 370 Рис. 3. Внешний вид образцов после испытаний на изгиб Fig. 3. Appearance of specimens after bending tests В табл. 3 приведено сравнение микротвердости образцов, полученных в настоящей работе, и микротвердости образцов, полученных в работах [12, 13, 15] аддитивными методами, а также сравнение предела прочности на изгиб с данными работ [6, 7] для образцов из чистого никеля и сплава Ni-Cr. Из таблицы видно, что полученные образцы имеют высокую микротвердость, в то время как предел прочности на изгиб более чем в 2 раза превосходит предел прочности сравниваемых образцов, полученных другими авторами. 124 Зиатдинов М.Х., Жуков А.С., Евсеев Н.С. и др. Исследование структуры и свойств изделий Сравнение механических характеристик полученных аддитивных материалов с аналогами Таблица 3 Образец Метод получения Микротвердость, HV Предел прочности на изгиб, МПа Источники данных Ni-Cr-CrN DMLS 450 1 500 Настоящая работа Ni-Cr-CrN DMLS 380 1 400 Ni-Cr-CrN DMLS 370 1 380 Ni-Cr-CrN DMLS 370 1 350 Ni-Cr SLM 280-320 - [12] Ni-Cr-CrN LMD 310 - [13] Inconel 625 WAAM 264 - [15] Ni-Cr традиционный - 660 [6] Ni традиционный - 330 [7] На рис. 4 показан внешний вид аддитивных образцов № 1 и № 2 в поперечном сечении. Рис. 4. Внешний вид аддитивного образца № 1 (a) и № 2 (b) в поперечном сечении Fig. 4. Cross-sectional view of samples nos. (a) 1 and (b) 2 125 Механика / Mechanics Наличие порообразования вызвано в первую очередь наличием крупных частиц порошка (диаметр частиц более 60 мкм). В процессе DMLS при нанесении порошка лезвием оно цепляло и смещало порошок в сторону, что могло привести к несплошности в слое и повышенному порообразованию. Таким образом, для уменьшения порообразования в процессе DMLS необходимо использовать частицы меньшего диаметра, предположительно 20-60 мкм [16], и осуществить более тщательный подбор режима сплавления. На рис. 5 для примера приведено ЭДС-изображение (поперечное сечение) образца № 1. Рис. 5. ЭДС-изображение, поперечное сечение, образец № 1 Fig. 5. EDS, cross section, sample no. 1 Из рис. 5 видно, что элементы Ni, Cr и Fe распределены равномерно по всей площади образца, что свидетельствует о равномерном расплаве Ni-Cr-CrN. 126 Зиатдинов М.Х., Жуков А.С., Евсеев Н.С. и др. Исследование структуры и свойств изделий Заключение В работе проведено исследование механизмов формирования структуры и свойств в ходе консолидации аддитивным методом прямого лазерного сплавления никель-хромового сплава системы Ni-Cr-CrN с повышенным содержанием азота. Сплав был получен путем добавления нитрида хрома, синтезированного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в качестве лигатуры в никель-хромовый сплав. Произведена атомизация полученного сплава с целью получения сферических порошков, пригодных для использования в технологии прямого лазерного сплавления. Исследован химический состав полученных порошков, свидетельствующий о высоком итоговом содержании азота в сплаве (0.5%). Методом прямого лазерного сплавления порошков получены компактные образцы на основе Ni-Cr-CrN. Проведено исследование структуры полученных образцов, предела прочности при трехточечном изгибе и микротвердости по Виккерсу. Максимальное значение предела прочности при трехточечном изгибе составило 1 500 МПа, микротвердости 450 HV. Анализ структуры показал, что элементы Ni, Cr и Fe распределены равномерно по всей площади образцов, что говорит о равномерном расплаве Ni-Cr-CrN. Анализ структуры также показал наличие пор, что связано с наличием крупных частиц порошка (более 60 мкм). Для уменьшения порообразования предполагаются использование частиц меньшего диаметра (~ 20-60 мкм) и более тщательный подбор режима сплавления. Ожидается, что при использовании сферического порошка Ni-Cr-CrN диаметром 20-60 мкм возможно получить более плотные аддитивные изделия с большим пределом прочности на изгиб и более высоким значением микротвердости. Таким образом, азотированные порошки нихрома пригодны для получения изделий как традиционными методами порошковой металлургии, так и сложнопрофильных изделий методами 3D-печати. Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Скачать электронную версию публикации