Indywidualny projekt kluczowy

„Nowoczesne technologie

materiałowe stosowane w

przemyśle lotniczym”

ZB13

. Opracowanie technologii przetapiania

stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Liderzy projektu: prof. dr hab. inż. Józef Śleziona
dr hab. Krzysztof Kubiak, prof. P.Rz

Segment PK

Partnerzy w zadaniu badawczym ZB.13

Politechnika Śląska – partner wiodący

Przetopy wstępne, badanie skurczu odlewniczego
Analiza termiczna i kalorymetryczna stopów
Badania makro i mikrostruktury, mikroanaliza rentgenowska i
analiza fazowa
Podstawowe badania wytrzymałościowe

Politechnika Rzeszowska – koordynator
projektu

Analizy składu chemicznego
Badania właściwości w podwyższonej temperaturze (pełzanie)
Wykonanie form odlewniczych na stanowisku laboratoryjnym

Politechnika Warszawska – partner wiodący

Wykonanie form ceramicznych
Analiza mikrostruktury, analiza fazowa i mikroanalizy

rentgenowska

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Analiza stanu wiedzy – wnioski

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Wnioski z wizyt studyjnych w WSK-PZL Rzeszów

Zweryfikowano program badań:

•

Ustalono zasady gromadzenia dokumentacji i materiałów (odpadów
poprodukcyjnych) do badań zasadniczych.

•

Do odpadów poprodukcyjnych zakwalifikowano: układy wlewowe,
braki oczywiste, odlewy odrzucone po badaniach specjalistycznych.

•

Do analizy zakwalifikowano następujące elementy dokumentacji:
atest „master heat”, analiza wlewków wykonana w WSK Rzeszów,

•

Karta technologiczna topienia i odlewania, skład chemiczny
końcowy, wyniki badań makrostruktury, twardości i wytrzymałości
(jeżeli sa prowadzone).

Postanowiono wykonać dodatkowe badania w zakresie:

1. Oceny wpływu składników stopowych na skłonność do

występowania w odlewach takich wad, jak: rzadzizny skurczowe,
pęknięcia, niedolewy

(zadanie 3.3).
2. Określenie optymalnego zakresu temperatury odlewania dla

wybranego gatunku asortymentu odlewów (zadania 4.1 i 4.2).

3. Wprowadzenie analizy termicznej ATD do oceny i prognozowania

właściwości stopów w warunkach produkcyjnych (zadanie 6.1).

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Wykorzystanie środków w zadania badawczym ZB.13

w okresie 1.07.2008r. do 30.04.2009r

.

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Podsumowanie wyników realizacji zadań badawczych

( Zadanie 1 - realizacja od 1. 07. 2008 do 1. 12. 2008r.)

Politechnika Śląska

1.1. Analiza możliwości i wybór żarowytrzymałych stopów na

osnowie niklu do przetapiania odzyskowego

.

Na podstawie danych WSK - PZL Rzeszów dokonano
analizy asortymentu najczęściej odlewanych
nadstopów niklu. Ostatecznie do badań w ramach
zadania badawczego wytypowano następujące stopy:

IN-713C,

IN-100,

MAR-247.

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Na wstępie przeprowadzono studium literaturowe w zakresie:
1.1. Charakterystyka żarowytrzymałych stopów niklu i kobaltu.
1.2. Zastosowanie stopów niklu w przemyśle lotniczym.
1.3. Doskonalenie składu chemicznego oraz technologii topienia nadstopów niklu.
1.4 Metody oddziaływania na wielkość ziarna żarowytrzymałych stopów na osnowie niklu

1.2. Ocena wyników analizy składu chemicznego na podstawie dokumentacji

dla wybranej partii odlewów i braków.

W ramach podzadania zrealizowano:

• wybór asortymentu odlewanych elementów,

• wstępna analiza losowo wybranych zestawów dokumentacji technologicznej
topienia stopu IN-713C i odlewania łopatek (porównano składy chemiczne „master
heat” oraz składy uzyskane na konkretnych odlewach).

• pobranie próbki i przeprowadzenie badan makro- i mikrostruktury stopów po
przetopie,

• przeprowadzenie badań mikroanalizy rentgenowskiej wybranych mikroobszarów
próbek;

• wskazano na rozbieżności pomiędzy wynikami analizy wlewków wsadowych
„master heat”, a wynikami makro i mikroanalizy rentgenowskiej (głownie dla Co).

• przygotowano zalecenia dla sposobu gromadzenia odpadów poprodukcyjnych
(układy wlewowe i braki) wraz z z dokumentacja technologiczna topienia i
odlewania:

• skład chemiczny: wlewków wsadowych, po roztopieniu, próbki z układu
wlewowego, próbki pobrane z odlewów,

•czas topienia,

•maksymalna temperatura ciekłego stopu,

•temperatura odlewania,

•uzysk, uwzględniający ilość braków), ,

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

1.3. Ocena parametrów krzepnięcia wybranych stopów

metodą analizy termicznej ATD dla wybranej partii

materiałów.

W celu określenia kryteriów oceny przetapianych stopów przeprowadzono wstępne
badania analizy krzepnięcia stopów wyjściowych, na próbkach pobranych z wlewków
„master heat.

Wyniki analizy termicznej próbek wytypowanych stopów, pobranych z wałków „master heat”
przedstawiono poniżej.

Stop

T

max

o

C

Stan ciekły

Stan stały

T

fp

T

lik

T

sol

T

ps

o

C

o

C/s

o

C

o

C/

s

o

C

o

C/

s

o

C

o

C/

s

IN-713C

1516

1401

-4,8

1329

0

1234

1,2

1

1145

0,4

5

MAR-247

1502

1430

-5,1

1343

0

1282

1,2

7

1191

0,4

9

IN-100

1540

1398

-3,5

1315

0

1280

0,5

4

Rozbieżności w stosunku do uszczegółowionych

Harmonogramów zadań

podczas konferencji 10-11 luty 2009.

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

1.2. Ocena wyników analizy składu chemicznego na podstawie
dokumentacji dla wybranej partii odlewów i braków.

Uzgodnione z WSK-PZL Rzeszów zagadnienia, jak:

• Zgromadzenie wymaganej ilości materiału do badań.

• Analiza składu chemicznego stopu wyjściowego i odpadów produkcyjnych

• Wpływ poziomu składników stopowych na skłonność do występowania w odlewach takich wad jak:
rzadzizny skurczowe, pęknięcia, niedolewy.

Przewidziano do zrealizowania do końca 2009 roku

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Podsumowanie wyników realizacji zadań badawczych

( Zadanie 1 - realizacja od 1. 07. 2008 do 1. 12. 2008r.)

1.3. Ocena parametrów krzepnięcia wybranych stopów metodą analizy termicznej ATD dla wybranej partii materiałów.

Analiza termiczna ATD umożliwia interpretację krystalizacji faz pierwotnych, np. faz
międzymetalicznych i węglików. Jest to możliwe dzięki dużej masie próbki i znacznej
intensywności stygnięcia. Można wyznaczyć charakterystyczne wartości temperatury
przemian fazowych, a zwłaszcza Tlik i Tsol

.

Wykresy ATD wskazują na wydzielanie się pierwotnych faz międzymetalicznych, lub
węglików, które mogą stanowić podkładki do zarodkowania i wzrostu kryształów osnowy.

Istnieje możliwość opracowania zależności empirycznej pomiędzy temperaturą T

lik

,

a zawartością głównych składników badanych stopów. Dotyczy to zwłaszcza stopów IN-
713C i IN-100. Temperatura T

lik

dla stopu MAR-257 jest wyższa o 15 do 20

o

C, co jest

wynikiem obecności w stopie około 10% wolframu. Z kolei najniższa temperatura T

lik

dla

stopu IN-100 jest wynikiem niższej, w stosunku do pozostałych stopów, zawartości Cr, Mo i
Ti oraz większej zawartości Al.

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Podsumowanie wyników realizacji zadań badawczych

( Zadanie 2.1 - realizacja od 1. 01. 2009 do 30. 04. 2009r.)

2.1. Badania kalorymetryczne komponentów i mieszanin modyfikujących, w celu
wyznaczenia charakterystyk termicznych. Dobór składu i wykonanie „pastylek”
modyfikujących przy użyciu prasy hydraulicznej i prasy wysokotemperaturowej.
Analizy składu chemicznego.

Obliczenia termodynamiczne w układzie ciekły stop – modyfikator (przykład)

3(CoO·Al2O3) + 2Cr ↔ 3Co + Cr2O3 + 3Al2O3
1.5(CoO·Al2O3) + Al ↔ 1.5Co + 2Al2O3
CoO·Al2O3 + Ti ↔ Co + TiO + Al2O3
2(CoO·Al2O3) + Ti ↔ 2Co + TiO2 + 2Al2O3
3(CoO·Al2O3) + 2Ti ↔ 3Co + Ti2O3 + 3Al2O3
5(CoO·Al2O3) + 3Ti ↔ 5Co + Ti3O5 + 5Al2O3
7(CoO·Al2O3) + 4Ti ↔ 7Co + Ti4O7 + 7Al2O3
CoO·Al2O3 + Ni ↔ Co + NiO + Al2O3
2(CoO·Al2O3) + Mo ↔ 2Co + MoO2 + 2Al2O3
3(CoO·Al2O3) + Mo ↔ 3Co + MoO3 + 3Al2O3
CoO·Al2O3 + Nb ↔ Co + NbO + Al2O3
CoO·Al2O3 + 0.5Nb ↔ Co + 0.5NbO2 + Al2O3
5(CoO·Al2O3) + 2Nb ↔ 5Co + Nb2O5 + 5Al2O3
5(CoO·Al2O3) + 2Ta ↔ 5Co + Ta2O5 + 5Al2O3
CoO·Al2O3 + 0.5Zr ↔ Co + 0.5ZrO2 + Al2O3
CoO·Al2O3 + 0.5Hf ↔ Co + 0.5HfO2 + Al2O3

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Podsumowanie wyników realizacji zadań badawczych

( Zadanie 2.1 - realizacja od 1. 01. 2009 do 30. 04. 2009r.)

2.1. Badania kalorymetryczne komponentów i mieszanin modyfikujących, w celu
wyznaczenia charakterystyk termicznych. Dobór składu i wykonanie „pastylek”
modyfikujących przy użyciu prasy hydraulicznej i prasy wysokotemperaturowej.
Analizy składu chemicznego.

Wyniki odczytane z wykresów DSC (podczas chłodzenia próbek, po roztopieniu) przedstawiono poniżej.

STOP

Zakres krzepnięcia

Przemiany w stanie stałym

T

fp

0

C

T

lik

0

C

T

sol

0

C

-Q

J/g

T

p

0

C

T

max

0

C

T

k

0

C

-Q

J/g

IN 100

Faza A

1350

1304

-54,77

1224

1193

1176

-2,92

Faza B

1287

1238

166,44

IN

713C

Faza A

1372

1324

-43,01

1169

1152

1131

-8,57

Faza B

1305

1252

-77,58

MAR

247

Faza A

1386

1346

-37,20

1251

1244

1211

-0,91

Faza B

1327

1255

-

174,25

1211

1188

1170

-4,93

Uwaga: T

fp

- temperatura początku wydzielania faz pierwotnych (węglików lub faz międzymetalicznych),

Faza A, Faza B - krystalizujące po sobie składniki osnowy metalowej

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Podsumowanie wyników realizacji zadań badawczych

( Zadanie 2.1 - realizacja od 1. 01. 2009 do 30. 04. 2009r.)

2.1. Badania kalorymetryczne komponentów i mieszanin modyfikujących, w celu
wyznaczenia charakterystyk termicznych. Dobór składu i wykonanie „pastylek”
modyfikujących przy użyciu prasy hydraulicznej i prasy wysokotemperaturowej.
Analizy składu chemicznego.

Analiza kalorymetryczna DSC umożliwia bardziej dokładna analizę krzepnięcia
osnowy oraz przemian i proces ów wydzieleniowych w stanie stałym.
Wykresy DSC umożliwiają wyznaczenie ciepła zachodzących przemian oraz
obserwację przemian fazowych podczas nagrzewania i topnienia.
Wykresy DSC wskazują na wydzielanie się pierwotnych faz międzymetalicznych, lub
węglików, które mogą stanowić podkładki do zarodkowania i wzrostu kryształów
osnowy.

Zaproponowano następujące zawartości pierwiastków metalicznych w
mieszaninach modyfikujących, dla których zmiana entalpii swobodnej
rokuje powodzenie podczas zabiegu modyfikowania:
1. 20% (CoO ・ Al2O3) + 10,09% Hf + pozostałe składniki
2. 20% (CoO ・ Al2O3) + 8,18% Ta + pozostałe składniki
3. 20% (CoO ・ Al2O3) + 4,20% Nb + pozostałe składniki
4. 20% (CoO ・ Al2O3) + 5,16 Zr + pozostałe składniki
5. 20% (CoO ・ Al2O3) + 10,56% miszmetalu + pozostałe składniki

Nie stwierdzono rozbieżności, w w stosunku do uszczegółowionych Harmonogramów zadań

podczas konferencji 10-11 luty 2009.

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Podsumowanie wyników realizacji zadań badawczych

( Zadanie 1 - realizacja od 1. 07. 2008 do 1. 12. 2008r.)

Politechnika Rzeszowska

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

Metodyka badań składu chemicznego nadstopów niklu

W ramach podzadania 1.2 dokonano analizy stanu wyposażenia i możliwości
badawczych w zakresie analizy składu chemicznego i fazowego nadstopów
niklu i kobaltu, a szczególności:

•

Metody badań niszczących

• Metody badań nieniszczących

Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego dysponuję następującymi urządzeniami:

• Jarzeniowy spektrometr GDS GD PROFILER HR firmy Horiba Jobin Yvon,

•

Sekwencyjny spektrometr plazmowo emisyjny ICP ULTIMA 2 HORIBA JOBIN YVON ,

• Elektronowy mikroskop skaningowy HITACHI S-3400 NII z EDS,

• Sekwencyjny spektrometr rentgenowski ARL ADVANT` XP Sequentional XRF,

1.2. Ocena wyników analizy składu chemicznego na podstawie
dokumentacji dla wybranej partii odlewów i braków.

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

W ramach podzadania 2.1 dokonano analizy oceny dokładności pomiarowej
urządzeń proponowanych do wykorzystania w badaniach oceny składu
chemicznego stopów niklu.

Spektro

metr

plazmow

y

Ni,

Cr,

Mo,

Ta,

W,

Fe

ponad 0,1 ppm do 1 ppm

włącznie

od 1 ppm do 11 ppm

włącznie

od 11 ppm do 100 ppm

włącznie

ponad 0,001 do 0,1

włącznie

ponad 0,1 do 1 włącznie

ponad 1 do 10 włącznie

ponad 10 do 100 włącznie

0,001

ppm

0,01 ppm

0,1 ppm

0,0001

0,001

0,01

0,1

Spektro

metr EDS

Al,

Ti,
Cr,

Co,Ni

, Ta

od 0,0001 do 100

3% od

wartość

względnej

Spektro

metr XRF

Cr,

Co,

Al,

Ti,

Mo,

W,

Fe,

Ta,

Nb

do 0,001 włącznie

ponad 0,001 do 0,01

włącznie

ponad 0,01 do 0,1 włącznie

ponad 0,1 do 1 włącznie

ponad 1do 10 włącznie

ponad 10 do 100 włącznie

0,0001
0,0005
0,001
0,007
0,05
0,5

Metoda

bad

awc

za

Zakres zawartości

dla oznaczanych

pierwiastków, % mas.

Dokładno

ść

Spektro

met

r

jarz

enio

wy

Cr

ponad 2.10 do 10.00

włącznie

ponad 10.00 do 15.00

włącznie

0.20
0.30

Ni

ponad 20.00 do 30.00

włącznie

ponad 30.00 do 40.00

włącznie

0.40
0.50

Co

ponad 0.05 do 0.50

włącznie

ponad 10.00 do 15.00

włącznie

ponad 15.00 do 22.00

włącznie

ponad 22.00 do 30.00

włącznie

0.02
0.30
0.40
0.60

M

o

ponad 2.00 do 7.00

włącznie

ponad 7.00 do 15.00

włącznie

ponad 15.00 do 30.00

włącznie

0.20
0.30
0.40

W

ponad 2.00 do 5.00

włącznie

ponad 5.00 do 10.00

włącznie

0.06
0.10

2.1. Badania kalorymetryczne komponentów i mieszanin modyfikujących, w celu
wyznaczenia charakterystyk termicznych. Dobór składu i wykonanie „pastylek”
modyfikujących przy użyciu prasy hydraulicznej i prasy wysokotemperaturowej.
Analizy składu chemicznego.

Plan realizacji zadań do końca 2009 r.

(zadanie 2)

ZB13. Opracowanie technologii przetapiania stopów niklu z zastosowaniem

modyfikowania nanocząstkami proszków

2.2. Wykonanie analiz chemicznych przygotowanych preparatów,

2.3. Przeprowadzenie prób przetapiania stopów niklu w stanie wyjściowym i
modyfikowanych. Obiekt prób - piec próżniowy Baltzers.

W ramach podzadania przewiduje się:

• Ocenę wpływu czterokrotnego przetopu wlewków „master heat” ze stopów
IN-713C, IN-100 i MAR-247 na zmiany składu chemicznego, (Pol. Śląska, Pol. Rzeszowska)

• zgromadzenie wymaganej ilości materiału do badań (Pol. Śląska, WSK Rzeszów)

• analiza składu chemicznego stopu wyjściowego i odpadów produkcyjnych, (Pol. Śląska, Pol. Rzeszowska)

• mikroanaliza rentgenowska i rentgenograficzna analiza fazowa, ,(Pol. Śląska, Pol. Rzeszowska

• ocena wad wybranych odlewów (rzadzizny skurczowe, pęknięcia, niedolewy), (Pol. Śląska, WSK Rzeszów)

• określenie wpływu poziomu składników stopowych na skłonność do występowania wad w odlewach

•(Pol. Śląska, WSK Rzeszów).

W ramach podzadania przewiduje się:
Opracowanie kształtu i wymiarów odlewu próbnego, (Pol. Śląska),

• wykonanie przetopów odpadów poprodukcyjnych w stanie wyjściowym, Pol. Śląska),

• wykonanie przetopów odpadów poprodukcyjnych z zastosowaniem rafinacji i modyfikowania (Pol. Śląska).

• analizy chemiczne, mikroanaliza jakościowa i ilościowa (Pol. Rzeszowska).

Prace
magisterskie

Politechnika Śląska
Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii,
Katedra Technologii Stopów Metali i Kompozytów

Promotor: prof. dr hab. inż. Franciszek Binczyk

1. Damian Broda : „Wpływ modyfikacji i intensywności stygnięcia na

twardość odlewów oraz mikrotwardość składników fazowych stopu IN-
713C

”

, obrona 25. 06. 2009r

2. Marcin Milewski: „Wpływ modyfikacji i intensywności stygnięcia na

mikrostrukturę nadstopu niklu IN-713C”, obrona 25. 06. 2009r

3. Paweł Gradoń: „Obliczenia termodynamiczne i pomiary kalorymetryczne

w układach: modyfikator -składniki nadstopu niklu IN-713C” , obrona
25. 06. 2009

4. Małgorzata Czyżo: Wpływ modyfikowania i intensywności stygnięcia na

makrostrukturę odlewów ze stopu IN-713C”, obrona 24.06. 2009r

Publikacje i
referaty

•

F. Binczyk, J. Śleziona, A. Kościelna: Effect of modification and cooling rate

on the microstructure of IN-713C alloy, Archives of Foundry Engineering, vol. 9,Issue 4, 2009r.,

2. F. Binczyk, J. Śleziona: Macro- and microhardness of IN-713C nickel superalloy constituents,
Archives of Foundry Engineering, vol. 9,Issue 4, 2009r.

(przyjęte do druku)

50 Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Krzepnięcie i Krystalizacja Metali”

Kielce – Cedzyna, 09. 2009r

Informacje o realizowanych zakupach

Przygotowano wnioski przetargowe na:

1. Zestaw badawczy DIO562 LCC: Uniwersalny cyfrowy
defektoskop ultradźwiękowy DIO562 LC z poszerzonym
wyposażeniem (do cyfrowej analizy, obróbki i dokumentacji
wyników)

Cel zakupu:
Defektoskop zostanie wykorzystany w ocenie jakości przetapianych stopów, a
zwłaszcza dla oceny porowatości skurczowej i innych wad wewnętrznych.
Łączny przewidywany koszt zakupu kompletu około 36.000 zł.

2. Kamera termowizyjna (Vario CAM hr384-inspect 580/25)

Cel zakupu:
Kamera będzie wykorzystana do pomiaru temperatury form (po podgrzaniu do
około 1200oC), w komorze pieca, poprzez system wzierników. Ponadto, do
pomiary temperatury stygnących odlewów.
Łączny koszt zakupu około 160.00 zl.

Informacje o realizowanych zakupach

Przygotowano wnioski przetargowe na:

3. Głowica HFDSC do różnicowego kalorymetru skaningowego
SETARAM MHTC S60

Cel zakupu:
Niezbędna jako element wyposażenia kalorymetru, na którym przewiduje się
prowadzenie badań termodynamicznych i kinetyki przemian fazowych w
badanych stopach niklu i kobaltu.
Przewidywany koszt zakupu około 50.000 zł

.

4. Przenośny komputer HP Pavilion dv5-1215 + drukarka

Cel zakupu:
Sprzęt potrzebny do współpracy z aparaturą Crystaldigraph PC-8T, służącą do
rejestracji procesu krzepnięcia metodą ATD. (określenie temperatury i zakresu
krzepnięcia badanych stopów niklu po przetopie.
Koszt kompletu około 3.500 + 1150zł = 4650 zł.

Informacje o realizowanych zakupach

W przygotowaniu wnioski na materiały:

1. Wlewki wsadowe („master heat”) następujących stopów:

• IN-713C w ilości 50 kg,

• IN-100, w ilości około 25 kg,

• MAR-247, w ilości 50 kg.
2. Odpady poprodukcyjne (układy wlewowe, braki produkcyjne), w ilości około
50 kg każdego z w/w stopów.
3. Formy ceramiczne, tzw. „marchewki” w ilości 30 sztuk,
4. Dodatki stopowe i zaprawy stopowe (Ti, Nb, Cr, Al,),
5. Dodatki modyfikujące,
6. Filtry ceramiczne,
7. Tygle ceramiczne do pieca indukcyjnego,
8. Tygielki do kalorymetru wysokotemperaturowego,
9. Termoelementy Pt-PtRh10,
10. Inne materiały pomocnicze.

Dziękuję za uwagę