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

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ! УНИВЕРСИТЕТ?

Р Г 17

го ОД

На правах рукописи

,! (»(■'

УДК 669.15:669.245:532.695.1

КАНДИДО БЕТОНИ АНКОНА

ИССЛЕДОВАНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ И МАССООБМЕНА В СИСТЕМАХ ОКСИКАРБОНИТРИД ТИТАНА - БИНАРНЫЕ СПЛАВЫ ХЕША (НИКЕЛЯ)

Специальность 05.16.02 - металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург 1994

Ребота выполнена на кафедре металлургия черных металлов в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Казаков A.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Иванов Э.А. кандидат технических наук, Маркарян Р.Л.

Ведущая организация: ЦНИШШ "ПРОМЕТЕИ"

Защита состоится ЧЧ". г. в 16 час. на за-

седании специализированного совета K~Q53.38.05 по присуждения ученых степеней в области металлургии черных металлов при Санкт-Петербургскрм государственном техническом университете

по адресу: 195251, г.Санкт-Петербург, Политехническая 29. v

*

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СбГГУ.

Автореферат разослан '^Г

994 Г

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, . доцент

В.Ф.Серебряков

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа.

Непрерывно возрастающие требования, предъявляемые к металлическим материалам, применяемым в высокотемпературной энергетике для изготовления ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД), являются мощшм 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 путем введения заранее синтезированных ультрадисперсных частиц в расплав, при этом возникают 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 ТЮ^Ы 0а. Оно недефицитно, обладает высокими механическими свойствами, сильно изменяет свои физико-химические свойства при изменении состава(х,у,2), что позволяет в широких пределах регулировать термовременную природу эндогенных выделений Т1С^у0„, а также активно управлять характером массообменных процессов частица-расплав при введении в последний экзогенных ТЮ^.О,.

Таким образом, с одной стороны, для целенаправленной разработки путей и средств создания перспективных композиционных материалов и технологии их получения жидкофазнкми методами имеется настоятельная необходимость в знании поверхностных свойств и параметров массообменных процессов в системе оксикарОокитрнд титана переменного состава -бинарные сплавы железа и никеля. С другой стороны, эти данные в литературе немногочисленны и противоречивы, особенно по краевым углам

смачивания. Результаты совместного исследования этих свойств в , тупной нам литературе вообще отсутствуют. В этой связи тема диссв] ционной работы, посвященной системному совместному исследований I чиваемости и сопровождающих ее процессов массообмена в системе о] карбонитрид титана переменного состава-бинарцые сплавы железа и н ля, представляется актуальной.

В 1992-1993 г.г. работа выполнялась в рамках проекта грантг фундаментальным исследованиям в технических науках, (конкурсный ц ЕГТУ-ЛМ, г.Екатеринбург).

Целью работы является создание баз физико-химических данных, вклю' щих характеристики смачиваемости и массообмена в системе оксикарб! трид титана переменного состава-бинарные сплавы железа и ниш широком температурно-концентрационном диапазоне изменения параме1 этой системы, а также установление общих физико-химических законо: ностей процессов, протекающих в этой системе.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и ре: следующие задачи:

1. Разработать методику исследования смачиваемости и массооСмзг: сплавах, содержащих легкоокисляющиеся элементы.

2. Исследовать характеристики смачиваемости и параметры массообш процессов в изучаемых системах.

3. Изучить морфологию образовавшихся неметаллических включений и : контактного взаимодействия в образцах после проведения опытов, вы, механизм этого взаимодействия. >'

4. На основе результатов компьютерного моделирования оценить вли. температурно-концентрационных условий проведения опытов на махани: интенсивность массообменных процессов, протекающих в изучаемой си ме.

5. Установить взаимосвязь процессов смачивания и массообмена в из; емой системе. ■ '

6. Провести опытно-промышленное опробование технологии получбния тейных дисперсноупрочненных никелевых спавов.

Научная новизна. Созданы базы физико-химических данных по смачи мости и массообмену в системе бинарные сплавы Ы1-Сг(6.2-50.2ЖСг), Т1(0.7-6.8ЖГ1), Ге-С(0.01-1 .072С), Ре-Сг(1.3-21.1ЖСг), ?е-Т1(0 5.3Ш)-оксикарбонитриды титана фиксированного состава Т1Сугрк ( 0.11, 0.20 , 0.28 и 0.38) в широком температурном диапаз 1500-1600°С (для сплавов на основе никеля) и 1550-1650°С (для сил на основе ¡келеза). Разработан алгоритм и создана численная мо,

- л •

лассообменных процессов, сопровождающих проведение опытов методом лежащей капли. На основе результатов расчета установлена взаимосвязь а взаимообусловленность температурио-концентрационных условий проведения опытов, с одной стороны, и характеристик смачиваемости и массо-обмена в изучаемой системе, с другой.

Практическая ценность работа. В результате выполнения настоящего исследования установлены общие физико-химические закономерности взаимодействия в системе оксикарОоЕштрид титана переменного состава-бинар-1ше сплавы ¡келеза и никеля, которые могут быть иопользова1Ш для совершенствования технологии выплавки стали и сплавов, обеспечивавшей управление температурно-временной природой оксикарбонитридов титана; разработки металлургических методов получения сплавов, дисперсноупро-чненшх карбонитридами; прогнозировать перспективных составляющих композиционных материалов и технологии их получения,в том числе методами кидкофазной пропитки.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы также для уточнения соответствующих теоретических параметров процесса массообмена в изучаемой системе, позволяющих его формализовать при численной реализации на ЭВМ.

Результаты исследований использованы для разработки литейных дисперсноупрочненных сплавов и технологии их получения. Экспериментальное опробование сплавов и технологии их производства позволило установить, что упрочненные экзогенными карбонитридами ТЮ^гу^ (х= 0.11) сплавы ВКНА-4Н при 1050°С и нагрузке 83 и~103 МПа имели время до разрушения образцов на 42 и 18 % выше длительности кизни образцов сплавов,полученных по серийной технологии.

Публикации и апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в одной статье.. Материалы диссертации долокены и обсуждены на Московской международной конференции по композитам, Москва 1990 г. и представлены на международную конференции "Успехи в процессах затвердевания", Страсбург (Франция) 1993г. 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 рисунка, 4 таблицы, 2 приложения. Полный объем диссертации составляет 201 страницу.

2. АНАЛИТИЧЕСКИ!! ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В этой главе на основе материалов, известных из литературы, сделана классификация дисперсноупрочненных сплавов и дан обзор способов

их жидкофазного получения, описан механизм дисперсного упрочнения и показано влияние морфологии упрочняющей фазы на свойства сплавов, выявлены особенности дисперсной системы, какой является система металлический расвдав-тугоплавкая фаза, и предложены критерии выбора упрочняющей фазы для литейных дисперсноупрочненных сплавов с позиций смачиваемости и термохимической стойкости.

3. ПОДГОТОВКА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для экспериментальных исследований смачиваемости и массообменных процессов на границе раздела фаз: газ-металл-подложка разработана и изготовлена установка, позволяющая проводить опыты при температуре до 1700°С в вакууме и атмосфере аргона, при этом аргон марки 04 подвергается двойной очистке сорбентом на холоду и титановым геттером непосредственно в камере установки.

Подложу с образцом помещали в зону нагрева при начальной температуре 1000-1100°С с последующим нагревом и расплавлением металлического образца. Температуру измеряли с помощью двух термопар ВР 5/20 (снизу под подложкой и сверху над металлической каплей). После расплавления температуру повышали до заданного значения и производили изотермическую выдержку. По ходу изотермической выдержки производили фотосъемку контактирующей пары. После завершения опыта образцы закаливали, перемещая их с горячего рабочего столика на холодное поворотное кольцо, а в рабочую зону подавали новую пару исследуемых материалов.

Для обоснования необходимой продолжительности изотермической выдержки контактирующих пар провели серии экспериментов с различном временем проведения опыта. Один из результатов этих исследований, приведенный на рис.1, показывает, что "к 40 минуте в системе Т1СхКу02 (х=0)-Уе при 1600°С наступает стабилизация концентрации азота и краевого угла смачивания. Стабилизации концентрации титана не наступает даже после десятичасовой выдержки системы Т1СХИ 0„ (х=0)-Ре. Базовым временем выдержки, при котором выполнен весь объем исследований контактирующих пар, приняли 40 минут. За это время процессы массообмена и сопровождающее их изменение краевого угла смачивания в изучаемых системах стабилизируются, выходя на стационарный режим.

В качестве исходных выбраны бинарные сплавы железа и никеля, охватывающие основы большинства промышленных сталей и никелевых сплавов: И1-Сг(6.2-50.2ЖСг), N1-11(0.7-6.856Т1), Ре-С (0.01-1.07*0), Ре-Сг(1.3-21.1*Сг), Ре-Т1(0.16-5.3т)). Всего 27 сплавов, включая чистые железо и никель. Сплавы получали в вакуумной индукционной л -

Влияние времени контактного взаимодействия на краевой угол смачипания и содержание реагентов в металле. Система железо—нитрид титана.Т=1600 С.

О 200 400 600

время взаимодействия, мин.

Рис.1

ИСВ-001ПИМ.

В качестве подложек использовали синтезированные в плазме окси-карбонитриды титана переменного состава. Синтез частиц и приготовление подложек проводили в институте ^органической химии Латвийской республики. Химический состав подложек Т1СХíTy02 после спекания: 1 )х= О, ,у=0.95, 2=0.05; 2)Х=0.110, у=0.843. Z=0.047; 3)Х=0.20?, у=0.745, z=0.054; 4)х=0.281, у=0.673, z=0.046; 5)х=0.3в0, у=0.5в1, z=0.039.

После проведения опытов одну из пар разрезали низкооборотным алмазным кругом Mlcromet фирмы Buehler для последующего приготовления шлифов и изучения зоны контактного взаимодействия на оптическом микроскопе Reichert. Другую пару использовали для определения химического состава капли. Химический анализ сплавов проводили объемными методами, анализ азота в металле проводили на приборе Dinlmat 400 фирмы Stroehlein Instruments.

4. Результаты эксперииента Результаты более 500 экспериментов обработаны на ЭВМ IBM PC AT 386/387DX с помощью пакета программ SURFER Access system и представлены в в виде пространственных топограмм краевого угла смачивания, а

также концентрации азота и титана после взаимодействия в зависимости от температурно-концентрационных условий проведения оштов. На рис.211 приведены по одному примеру результатов экспериментов для каждой из изученных систем.

Металлографические исследования представлены микроструктурами зон контактного взаимодействия и неметаллической фазы в капле. Каждая из микроструктур сопровождается подробным ее описанием, а в завершении всех описаний следуют обобщения по влиянию температурно-концентрационных условий проведения опытов на характер зоны контакта и неметаллической фазы, установленные для данной системы.

5. Компьютерное иоделировсние процессов иассообизна при проведении экспериментов цетодов лежащей капли В этой главе разработан и реализован локально-равновесный вариант моделирования массообменных процессов в ходе изотермического взаимодействия в системе газ-металл-подложка. Задавая достаточно малый шаг по титану, перешедшему в расплав из подложки, рассчитывали все остальные концентрации реагентов в расплаве с учетом закона сохранения массы и развития массообменных процессов на всех межфазных поверхностях. Численный эксперимент завершали при выполнении условий невозможности растворения подложки. В реальном эксперименте из-за постоянного действия геттера равновесие да достигалось, однако результаты численного эксперимента для системы (Ре-О-ТКМу^ позволили выявить механизм и движущие силы массообменных процессов в этой системе, которые справедливы и для реальных экспериментов..

Дополнительно для интерпретации результатов эксперимента провели расчет поверхности растворимости компонентов в металле.(ПРКМ) изученных систем на основе железа и численное моделирование процессов окск-карбонитридообразования в системе Ре-С-Н-0-Т1 с учетом концентраций реагентов, достигнутых в ходе проведения опытов в этой системе: [Ш=0.003%, С=0-0.5%, Т1=0.3-1.3%. Численные эксперименты проведены с помощью разработанных на кафедре "Металлургия черных металлов" СПОГТУ пакетов программ "Моделирование процессов образования неметаллических включений в жидкой и затвердевающей стали". Обобщенные результаты 2500 численных экспериментов в заданном концентрационном интервале реагентов изобразили в виде пространственных топограмм массы вторичных и третичных оксикарбонитридных включений, а также температуры начала их образования и состава при этой температуре. Эти результаты позволили установить влияние температурно-концентрационных условий

проведения опытов на тип и количество оксикарбонитридных включений в металлической капле после взаимодействия, а также на интенсивность массооОменных процессов и развитие явлений перекристаллизации соединения подложки через жидкую фазу.

6. Обсуждение результатов эксперимента В результате проведения вышеизложенных экспериментов и расчетов получены данные, позволяющие установить' оОшиефизико-химические закономерности взаимодействия в системе оксикарбонитрид титана фиксированного состава-бинарные сплавы железа и никеля.

6.1. Система (Ре-С) - Т1СДрг Содержание титана в металле после проведения опытов в этой системе повышается по мере повышения температуры проведения опыта, а также при повышении мольной доли углерода в составе подложки Г1СхИ 02 (при хХЭ.20). Наименьшие содержания титана, обнаруженного в металле после проведения опытов в этой системе, при прочих равных условиях смещаются по мере повышения содержания углерода в подложке в сторону с более высоким содержанием углерода в сплаве (рис.3). Такие закономерности в поведении титана, обнаруженного в металле после проведения опытов связаны с : соотношением составов равновесного Т1СхИу02 и Т1СхИу02 подложки: чем ближе состав подложки к составу равновесного Т1СгИу0а, образующегося из расплава при данных температурно-концен-трационных условиях проведения опытов.тем менее интенсивно развиваются массообменные процессы в системе й, наоборот*большее различие в составе этих соединений приводит к более высоким содержаниям титана в металла после проведения опытов. В точках минимума функции Т1=/(С%) имеет максимальное совпадение этих составов.

Так, в соответствии с расчетами при 11=0.3-0.8% и С<0.3% равновесная мольная доля углерода в составе ТКуу^ для системы Ре-С-Ы-О-Т1([И]=0.003Ж) составит х=0.00-0.15, что практически совпадает с составом первых двух подложек Т1Сх1уЭг(х=0 и х=0.11). Поэтому содержания титана в опытах на этих подложках при соответственных температурно-концентрационных условиях проведения опытов совпадают, а минимальные значения достигаются при С^О.ЗЖ (рис.3). При последующем повышении х>й,20 область минимальных значений титана смещается в сторону больших значений углерода в сплаве, а состав подложки все больше отличается от равновесного, что приводит к более интенсивному ее растворению й повышению общего уровня концентрации титана после опытов. Когда эти концентрации достигают предела растворимости, из расплава выпада- 9 -

Краевой угол сиаштшша п снстсыс ( Ре - О -ТIСх Ыу Ог .Т—1ой0"С.

Рис.2

Содержание титана в металле после взаимодействия в системе ( Ро-С)-Т 1СхМуОг

о

РЛи , С.

ет равновесный оксикарбонитрид титана. Таким образом, на первых трех подложках массообмен связан с растворением подложки, деазотацией расплава и накоплением титана в металле, а на последних двух подложках эти процессы дополняются образованием оксикарбонитридов титана равновесного состава, начиная с момента достижения концентрациями реагентов равновесных значений.

Явления перекристаллизации в этой системе начинают развиваться в опытах на подложках ТКМ^О,^ (х=0.28 и х=0.38), причем с понижением содержания углерода и сплаве от 1.07% до 0.005% интенсивность этих явлений возрастает соответственно от единичных локальных областей размером 7-10 мкм до сплошной зоны глубиной 100-150 мкм. Действительно, из расчетов следует, что возможности образования оксикарбонитридов титана равновесного состава при постоянной температуре расширяются по мере повышения содержания титана и снижения содержания углерода в металле.

Краевой угол смачивания отражает интенсивность массообменных процессов, протекающих в системе. Поскольку мерой интенсивности этих процессов является содержание титана в металле после проведения опыта, то можно заметить: тояограмш краевого угла смачивания (рис.2) и содержания титана в металле после опытов (рис.3) обратно симметричные: чем вше содержание титана в металле, тем ниже значение краевого угла смачивания.

Особенности изменения типа'и количества неметаллических включений, обнаруженных в металлической капЯэ после проведения опытов, нашли свое подтверждение и в расчетах. Так, выделение карбонитридов титане эвтектического типа в этой системе экспериментально обнаружено в системе (Ке-0.129ЖС)-'Т1СХИ 0в(х=0) после опытов при 1600°С, а также в других опытах с более высоким содержанием углерода как в составе подложки, так и в металле. Причем интенсивность этих выделений растет при повышении температуры проведения опытов. Действие всех этих факторов можно свести к влиянию концентраций титана и углерода в металле на количество третичных включений. И действительно, как следует из расчетов, при с>0.13 и Т1>0.3Х наблюдается значительное увеличение количества третичных включений, образующихся при захлопывании дендритной ячейки. Установленный факт возрастания количества равноосных оксикарбонитридных включений по мере повышения содержания углерода в металла и подложке, а также при повышении температуры проведения опыта также подтверждается расчетами: количество вторичных оксикарбонитридов в этой системе растет по мере повышения содержаний титана и

углерода в сплаве. Эти закономерности образования оксикарбонитридных включений разной термовременной природа подтверждаются при рассмотрении и других систем.

6.2. Система (Fe-Cr) - TIC^N 0в'. '

Содержание титана в металле после проведения опытов в этой системе значительно повышается по мере роста температуры проведения опыта, а также с повышением мольной доли углерода в составе подложки (рис.5). Ширина зоны перекристаллизации на подложке TlCxNyOz (x=0.3S) практически не изменяется при повышении температуры от 1550 до 1600°С, но монотонно растет от 150 до 250 мкм при увеличении концентрации хрома в сплаве от 1.3 до 21.1%. Как следует из ПРКМ этой системы, при повышенных концентрациях хрома образование TiCxNyOz реализуется при прочих равных условиях при более низких содержаниях реагентов в металле, а размеры области TlGxN}r02 на ПРКМ при повышении температуры изменяются незначительно. Более активная роль азота в хромистых расплавах по сравнению с предыдущей системой нашла свое отражение в строгих функциональных зависимостях [N)=/(T,Cr), особенна в опытах на подложках TlCxNyOz (х=0 и х=0.11). Содержание азота после опытов закономерно растет от 19-25 до 111-192 ррт по мере повышения концентрации в сплавах Cr от О до 21%. Температурная зависимость содержания азота на подложке TlCxNy0z(x=0) при Сг>5% имеет максимум при 1600°с. Наличие этого максимума связано с двумя обстоятельствами, действующими в противоположных направлениях. С одной стороны, известно, что при Cr>4.3fc в расплавах Fe-Cr растворимость азота тем выше, чем ниже температура. С другой стороны, чем выше температура, тем*активнее растворяется подложка и выше содержание в расплаве титана, который повышает растворимость азота. В результате этих противоборствующих обстоятельств наблюдает экстремальные температурные зависимости содержания азота.

6.3. Система (Fe-Ti) - iityy)

Легирующий элемент этой системы (Т1) является и основным реагентом, поэтому при варьировании его, концентрацией в широких пределах (0-5.3%) характер массообмевных процессов значительно меняется (рис. 7). По мере повышения содержания углерода в составе подложки TlCxNy0B от х=0 до х=0.11 уменьшается температурно-концентрационное поле, в котором титан в результате взаимодействия с подложкой не накапливается, а. напротив, расходуется на образование равновесных оксикарбонитридных фаз. Действительно, чем' выше мольная доля углерода в составе TlCxNy0z, тем значительнее отличие ее состава от равновесного и тем

Краевой угол смачивания в системе ( Рв-О)-ТчСхМу Ог . Т=!600"С

Содержание титана в металле после взаимодействия в системе ( Рв-Сг) -Т (.СхЫуОг . Т=1600"С

Краевой уготг скачивания в системе (Ро-Т О -Т1СхЫуОг. Т=1600"С

Изменение содержания титана в металле после взаимодействия в системе ( Го-Т I)-Т (.СхМуОг . Т=1 600"С

большими концентрациями титана мокло удержать подложку от раствора -ния. На подложке TlCxNy0z(x=0.20) такая область вырождается лиеь в одну точку: при минимальной температуре проведения опыта Т=1550°С и максимальном содержании титана в исходном металле (Т1=5.3%), а при х> 0.20 при всех исследованных условиях наблюдали только прирост содержания титана после проведения опыта.

Наличие в исходных сплавах титана и отсутствие углерода предопределило и более раннее начало процессов перекристаллизации. В отличии от вышерассмотренных систем эффекты частичной перекристаллизации обнаружены уже на подложке TIC NO (х=0.11) при Т 1=0.67% и Т=

_ X У Z

1650 С.

6.4. Система (Nl-Cr) - TlCNy0z

Из-за известных сложностей прогнозирования термодинамическая. Функций в высоколегированных никель-хромовых расплавах расчеты раеда-весия и моделирование массообменных процессов в системах (M~i$~ TlCzNy0z (J=Cr,Nl) затруднены. Полученные в настоящей работе шяща-кетальные данные могут служить удобным тестом для проверки тй|»юдинамических и других констант, описывающих массообменные процесса в этих системах.

В отличии от системы (Fe-Cr)-TlCxNyOz, в которой эависимость Т1=/(Сг) при всех условиях проведения опыта выражена слабо, в системе (Nl-Cr)-TiCxNyOz наблюдается значительное воздействие хрот на интенсивность массообменнных процессов в этой системе <рис,9}. Такое воздействие хрома в полной мере отражается и на краевом угле смачивания (рис.8), который, как и в предыдущих системах, отражает ш только общие тенденции в развитии массообменных процессов в систеш, но и реагирует на локальные экстремумы зависимости Т1=/(Сг), например при 10- 20% Сг на всех подложках.

Содержание азота, обнаруженного в металле после ОПЫТОВ в этой системе, закономерно повышается по мере увеличения содержания хрома в исходном сплаве и, напротив, снижаются по мере повышение углерода в составе подложки. На подложках TlCxNyOz (х=0 и х=0.11) максимальные содержания ГЮтах= 723-1522 ррт, а при Х= 0.20-0.28 - £N1^= 232-423 ррт, что неадекватно снижению растворимости азота при повышении содержания углерода, переходящего из растворяющейся подложки. Очевидно на подложках TlCxNy0z (х>0.11) появилась дополнительная статья расхода азота. И действительно, явление перекристаллизации обнаружено в р/где единичных участков в опытах на подложке TlCxNyOz (х=0.11). В о?м?зх на подложках TlCxNy0z (х>0.11) идентифицированы целые зоны

Краевой угол смачивания в системе ( N1-0)-ПСкМуОл . Т=1Б50"С

Содержание титана в металле после взаимодействия в системе. , ( N 1-СгО-ПСкМуОг . Т-1ББ0"С.

К

а.

Рио.9

гаракряз? алагзецаи, а на подложз х=0.2«3 ее киракй 'цда^ьтся «уч погшешл содержания хрома. То есть в опытах с вкссхо^помко-гыми расплавами пзот расходуется на перекристаллизацию подаозкю о сбразсна-нпем равновеснсго соединения Т1С„Ку0„, обогащенного по сравнсл.лв с соединением подложки нитридом титана.

6.5. Система (N1-11) - ТКуу^ Никель-титановые расплавы более агрессивны по отношению к изученным оксикарбонитридам титана по сравнении с аналогичными сплавами на основе железа. Лишь сплавы, содержащие 5.0-6,8% Т1 при 1550°с (рис. 11) и 3.0-5.0% Т1 при 1500°С, не взаимодействуют или слабо взаимодействуют с оксинитридом титана. При других температурно-концен-трационных условиях на этой подлозске, а также при всех условиях проведения опытов на других подложках происходит их растворение, сопровождающееся сквозной ' пропиткой подложки и образованием керметов, представляющих собой ' перекристаллизованные карбояитридные зерна, окруженные металлической связкой. Все эти процессы сопровождаются образованием карбонитрида титана равновесного состава. Характерно, что по мере повышения содержания углерода в подложке цвет перекристаллизованной зоны меняется от ярко-желтого при х=0.11-0.20 к желто-сиронвЕому при х= 0.28 и серо-сиреневому при х= 0.38. Такое-изменение цвета карбонитрида титана равновесного состава Т1СхЫу0а свидетельствует о все возрастающей доли карбида (х) в его составе, что закономерно при повышении концентрации титана и углерода в металле.

'(. Опытно-проиышленное опробование технологии получения литейного дисперсноупрочненного никелевого сплава Опытно-промышленное опробование технологии- получения сплавов проводили в условиях НПО им.В.Я.Климова. Плавки проводили на установке УВНК-8П. В качестве базовых выбрали сплавы ВКНА-4Н. Стандартные заготовки массой 4 кг расплавляли в вакууме 10~3гПа, перегревали расплав до 1650°С и после 3-минутной выдержки снижали температуру до 1550°С, при которой на поверхность присаживали частицы соединений Т1СХИ„0„(х-0.11). Предварительными исследованиями установлено, что эти соединения с точки зрения поверхностных свойств устойчивы в расплавах типа ВКНА-4Н (е=34 град.). Упрочненные экзогенным карбонитри-дами сплавы БКН4-4Н 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.

7. ОбЕзю вывода по работе 1. Созданы базы физико-химических данных, включающие краевой

Красной угол смачинания и системе

Г N1-ТО - ТьСхЫу О* . Т«)Б50"С

Рис.10

Изменение содержания титана в металле после ояоимодойетпия в системе ( N I-ТО -Т1СкЫуОг . Т=15Б0"С.

угол смачивания и параметры массообмена в системе оксикарбонитрид титана фиксированного состава ТКуу^ (х= 0, 0.11, 0.20, 0.28 и 0.38) - бинарные сплавы железа Ре-0(0.01-1.07X0), Ре-Сг(1.3-21.1%Сг), Ре-11(0.16-5.3%Т1) И никеля И1-Сг(6.2-50.2%Сг), N1-11(0.7-6.8%Т1) в широком температурном диапазоне: 1500-1600°0 (для сплавов на основе никеля) и 1550-1650°С (для сплавов на основе железа). Базы дашшх могут быть использованы для прогнозирования термохимической устойчивости оксикарбоштридов титана в расплавах на основе железа и никеля.

2. Разработана рассчетная методика анализа массообменных процессов на границах раздела фаз оксикарбонитрид титана фиксированного состава-металл-газовая фаза. Адекватность результатов моделирования по оценке влияния температурно-концентрационных условий проведения опытов на интенсивность массообменных процессов, развитие явлений перекристаллизации, а также тип и количество оксикарбонитридов титана, обнаруженных в металле посла взаимодействия, проиллюстрирована на системе (Ре-О-ПС^О^

3. В результате проведения экспериментов и расчетов установлены общие физико-химические закономерности взаимодействия в системе.оксикарбонитрид титана фиксированного состава-бинарные сплавы железа и никеля.

3.1. Интенсивность массообменных процессов в системе, мерой которой является содержание титана в металле после взаимодействия, тем выше, чем больше разница в составах оксикарбонитридов титана равновесно:- 5 состава (при данных температурно-концентрационных условиях провел.;>й1я опыта) и состава соединения подложки,

3.2. Краевой угол смачивания отражает интенсивность массообменных процессов, развивающихся в системе: значение краевого угла смачивания тем ниже, чем выше интенсивность массообменных процессов как при разных условиях проведения опытов на одной подложке, так в сравнении результатов, полученных при прочих равных условиях на разных подложках.

3.3. Механизм массообменных процессов в изученных системах состоит в растворении соединения подложки, если оно неравновесно в данных температурно-концентрационных условиях проведения опыта, дегазации металлического расплава (в основном деазотации), накопления в расплаве титана и углерода (последнее для карбонитридных подложек), образовании оксикарбонитрида титана равновесного состава (в случав достижения реагентами предела растворимости).

3.4. Степень развития явлений перекристаллизации исходных зерен

подложки черэз жидкую фазу с образованием соединений равновесного состава существенно выше на системах с участием никелевых расплавов, что предопределено высокой интенсивностью массообмэнных процессов, протекающих в этих системах. Развитие явлений перекристаллизация и пропитки соединений подложки изученныш расплавами при определенных прогнозируемых условиях проведения опытов приводят к образованию естественных композиционных материалов (керметов).

4. опытно-промышленное опробование технологии получения сплавов, проведенное в условиях НПО им.В.Я.Климова, показало, что сплавы BKHA-4HÍ упрочненные экзогенными карбонитридами Т1СхПу0Е (х=0.11), при 1050°0 и нагрузке 88 и 108 МПа имели время до разрушения образцов на 42 и 18 % вше длительности жизни образцов сплавов, полученных по серийной технологии.

Основные положения диссертации опубликованы в работе

Thermodynamics or melts'forecasting oí the composition or metal - nitrogen bearing compound composite materials // Kazatcov A.A. Ankomah C.B.// MICC90.1990. Elsevier Applied Science. London and Пен York.P.331-336.