автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование смачиваемости и массообмена в системах оксикарбонитрид титана - бинарные сплавы железа (никеля)

Введение

Аналитический обзор литературы

2.1. Классификация дисперсноупрочненных сплавов и обзор способов их жидкофазного получения

2.2. Механизм дисперсного упрочнения, влияние морфологии упрочняющей фазы на свойства сплавов

2.3. Особенности дисперсной системы и критерии выбора упрочняющей фазы

2.5. Цель и задачи исследования

Подготовка материалов и методика проведения эксперимента

3.1. Конструкция и технические возможности установки

V " * * ~ * для исследования смаяиваейсЛйй'и массообмена мето : JU - ' ' * дом лежащей капли

3.2. Методика получения сплавов, синтез ультрадисперсных порошков оксикарбонитридов титана и приготовление подложек

3.3. Методика исследования образцов после взаимодействия Результаты эксперимента

4.1. Исследование смачиваемости

4.1.1. Система (Ре-С) - TIC N О

X у Z

4.1.2. Система (Ре-Сг) - TIC N О х у Z

4.1.3. Система (Pe-Ti) - TIC N О

X У Z

4.1.4. Система (Ni-Cr) - TIC N О

X У Z

4.1.5. Система (NI-TI) - Т1СД

4.2. Исследование массообменных процессов

4.2.1. Система (Ре-С) - TIC NO

X у Z

4.2.2. Система (Ре-Сг) - TIC N О а У Z

4.2.3. Система (Fe-Ti) - TiCxNyOz

4.2.4. Система (Ni-Cr) - TiCxNyOz

4.2.5. Система (Ni-Ti) - TiCxNyOz

4.3. Металлографические исследования зоны контактного взаимодействия

4.3.1. Система (Fe-C) - TIC N О х у Z

4.3.2. Система (Fe-Cr) - TiCxNyOz

4.3.3. Система (Fe-Ti) - TiCxNyOz

4.3.4. Система (Ni-Cr) - TiCxNyOz

4.3.5. Система (Ni-Ti) - TiCxNyOz Компьютерное моделирование процессов массообмена при проведении экспериментов методов лежащей капли

5.1. Разработка алгоритма расчета

5.1.1. Расчет равновесия на межфазных поверхностях

5.1.2. Алгоритм расчета массообменных процессов

5.2. Обсуждение результатов эксперимента и расчета Уточнение алгоритма расчета

Обсуждение результатов эксперимента

6.1. Система,(Fe-C) - TIC N О

X У Z

6.2. Система (Fe-Cr) - TIC N О

А У Z

6.3. Система (Fe-Ti) - TIC N О

X У Z

6.4. Система (Ni-Cr) - TIC NO х у z

6.5. Система (Ni-Ti) - TiC N О

N ' x у z

Опытно-промышленное опробование технологии получения литейного дисперсноупрочненного никелевого сплава Общие выводы по работе Литература

Непрерывно возрастающие требования, предъявляемые к металлическим материалам, применяемым в высокотемпературной энергетике для изготовления ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД), являются мощным стимулом в создании новых высокожаропрочных материалов, способных работать в условиях агрессивных сред, высоких напряжений и температур вплоть до 1300°С. Однако публикации последних лет свидетельствуют о кризисе в традиционном подходе при разработке таких материалов путем выбора и оптимизации легирующего комплекса металлических составляющих. Последние разработки таких сплавов содержат в своем составе значительные концентрации рения и гафния, что делает их применение экономически нецелесообразным, а свойства сплавов остаются все еще далекими до требуемых значений.

Одним из возможных направлений решения этой задачи является создание литейных дисперсноупрочненных сплавов, содержащих повышенные концентрации элементов внедрения ( углерод, азот, бор) в сочетании с элементами, обладающими большим сродством к этим металлоидам. Возникают проблемы поиска таких температурно-концентрационных областей, в которых исключено взаимодействие этих элементов в жидком расплаве при его подготовке, а также обоснование технологических параметров охлаждения расплава при формировании слитка (отливки), обеспечивающих достаточную дисперсность выделений соответствующих соединений при достаточно высоком их массовом содержании в готовом материале.- Другим жидкофаз-ным методом получения таких сплавов является введение заранее синтезированных ультрадисперсных частиц в расплав, при этом воз

- 6 никают проблемы технологии подготовки этих частиц к введению, технологии собственно их введения, а также обеспечения устойчивости полученной дисперсной системы как в ходе ее получения, так и в процессе кристаллизации.

Все вышеназванные технологические проблемы могут успешно решены только при полной ясности физико-химических закономерностей процессов, протекающих на границе раздела фаз металлический расплав-неметаллическая фаза.

Одной из перспективных упрочняющих фаз может стать соединение переменного состава TIC N 0 . Оно недефицитно, обладает высо

X У 2S кими механическими свойствами, сильно изменяет свои физико-химические свойства при изменении состава (x,y,z), что позволяет в широких пределах регулировать термовременную природу эндогенных выделений TICxNyOz, а также активно управлять характером массооб-менных процессов частица-расплав при введении в последний экзогенных TIC N O .

X у z

В результате выполнения настоящего исследования установлены общие физико-химические закономерности взаимодействия в системе оксикарбонитрид титана переменного состава-бинарные сплавы железа и никеля.

В 1992-1993 г.г. работа выполнялась в рамках проекта гранта по фундаментальным исследованиям в технических науках (конкурсный центр ЕГТУ-У1Ш, г.Екатеринбург).

Научная новизна. Созданы базы физико-химических данных по смачиваемости и массообмену в системе бинарные сплавы Ni-Cr(6.2-50.2%Cr), Ni-Ti(0.T-6.8%TI),Fe-G (0.01-1.07%С) ,Fe-Cr(1 .3-21.1%Сг), Fe-Ti(0.16-5.3%Ti)) - оксикарбонитриды титана фиксированного состава TICxNy0z(x=0, 0.110, 0.201, 0.281 и 0.380) в широком температурном диапазоне: 1500-1600°0 (для сплавов на основе никеля) и

- 7

1550-1650°С (для сплавов на основе железа). Разработан алгоритм и создана численная модель массообменных процессов, сопровождающих проведение опытов методом лежащей капли. На основе результатов расчета установлена взаимосвязь и взаимообусловленность темпера-турно- концентрационных условий проведения опытов, с одной стороны, и характеристик смачиваемости и массообмена в изучаемой системе, с другой.

Практическая ценность работы.

В результате выполнения настоящего исследования установлены общие физико-химические закономерности взаимодействия в системах оксикарбонитрид титана переменного состава - бинарные сплавы железа и никеля, которые могут быть использованы для:

- совершенствования технологии выплавки стали и сплавов, обеспечивающей управление температурно-временной природой оксикар-бонитридов титана и морфологией этих включений в готовых отливках, в том числе при решении задач оптимального модифицирования;

- разработки металлургических методов получения сплавов, диспер-сноупрочненных карбонитридами, что предполагает поиск таких температурно-концентрационных и других условий проведения плавки и формирования отливки, при которых формируются частицы существенно более высокой дисперснности и более значительного массового содержания, чем это необходимо для целей модифицирования;

- прогнозирования перспективных составляющих композиционных материалов и технологии их получения, в том числе методами жид-кофазной пропитки.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы также для уточнения соответствующих теоретических параметров про

- 8 цесса массообмена в изучаемой системе, позволяющих его формализовать при численной реализации на ЭВМ.

Результаты исследований использованы для разработки литейного дисперсноупрочненного сплава и технологии его получения. Экспериментальное опробование сплава и технологии его производства позволило установить, что упрочненные экзогенными карбонитри-дами Т1СхЫ 02(х=0.11) сплавы ВКНА.-4Н при 1050°С и нагрузке 88 и 108 МПа имели время до разрушения образцов на 42 и 18 % выше длительности жизни образцов сплавов, полученных по серийной технологии.

Публикации и апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в одной статье. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Московской международной конференции по композитам, Москва 1990 г. и представлены на международную конференцию "Успехи в процессах затвердевания", Страсбург (Франция) 1993 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы из 144 наименований. Работа изложена на 103 страницах машинописного текста и содержит: 102 рисунков, 4 таблицы, 2 приложения. Полный объем диссертации составляет 201 страниц.