Введение к работе
Актуальность работы. Тенденции к расширению областей применения различных сплавов в машиностроении стимулировали работы по теоретическому и экспериментальному исследованию процессов, связанных с поведением газовых примесей в конструкционных сталях и сплавах.
В литературе имеется большое количество публикаций, посвященных изучению проблемных вопросов нормирования содержания азота в металлических сплавах, предназначенных для службы в различных температурных интервалах. К сожалению, раздельное изучение высокотемпературных и низкотемпературных сплавов привело к выработке принципиально различных рекомендаций по их производству. В настоящей работе предлагаются единые теоретические и практические подходы к совершенствованию качества перспективных конструкционных сталей и сплавов, предназначенных для службы в широком интервале температур, обладающих достаточным запасом пластичности. Совершенствование процессов дегазации и азотирования сплавов требует проведения трудоемких исследований, так как возникает необходимость развития уже известных и разработка новых методик анализа, совершенствования аппарата адекватного математического описания. Диссертационная работа посвящена проблеме обеспечения качества жаропрочных ниобиевых сплавов и конструкционных сталей с нормируемым содержанием азота. «Вчерашние» классические жаропрочные сплавы во многом устарели, так как рабочая температура в некоторых двигателях уже повышена до 1650С, а новые керамикомсталлическис материалы, будучи хрупкими, обладают низкой термостойкостью, т.е. плохо противостоят теплосмепам. Многие материалы в предлагаемых конструкциях не способны противостоять служебным условиям. По этой причине все большее внимание уделяется ниобию и его сплавам, потенциальные возможности которых заслуживают особого внимания в следующих областях техники:
в металлургии и металлообработке - для изготовления перекачивающих жидкие металлы устройств,
в химической и атомной промышленности для изготовления теплообменников, трубопроводов, деталей конструкций, в том числе оболочек ТВЭЛ. Кроме того идея постройки реактора без ТВЭЛ базируется на прокачке жидкого или газообразного ядерного топлива в виде теплоносителя, причем ниобиевые сплавы совместимы как с жидкометаллическими безоксидными теплоносителями, так и с большинством газообразных, в частности, с гексафторидом урана,
в авиастроении и ракетной промышленности - для сотовых конструкций из тонкого листа, направляющих лопаток, обшивки, носового корпуса и других конструктивных элементов двигателей, деталей и узлов, работающих при высоких температурах либо в условиях нейтральной или восстановительной атмосфер, либо ограниченное время в условиях окислительной атмосферы.
В настоящее время ниобий (наряду с цирконием и молибденом) рассматривается с полным основанием как высокотемпературный конструкционный материал многоцелевого назначения и становится самым перспективным тугоплавким материалом в отечественной ядерной энергетике, космической технике, ракетостроении, металлургии, химии и во многих других областях, где именно уровень высоких температур, механические, химические и ядерно-физические свойства определяют служебные свойства изделий, а также достижения и перспективы развития в каждой конкретной области применения.
Работа выполнена на кафедре прикладной физики Волгоградского государственного университета при научном и техническом сотрудничестве с кафедрой материаловедения Балтийского государственного технического университета и предприятиями п /я А-7653, п /я А-3700, п /я М-5385, ЦНИИЧМ им. И.П. Бардина, в рамках приоритетных программ, в том числе принятых на основе решений Правительства (N ЛК-4220 от 18.11.83), и ГКНТ СССР (N 515/217 от 29.10.81г.)
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка эффективных технологий производства конструкционных статей и сплавов на основе ниобия, свойства которых контролируются содержанием азота.. В соответствии с целью, а также на основе изучения производственных проблем и литературных данных были сформулированы следующие направления теоретических исследований: -изучение кинетики и термодинамики процессов производства конструкционных сталей и сплавов,
-обоснование рабочей гипотезы упрочнения конструкционных сплавов, -моделирование режимов термической обработки конструкционного сплава после высокотемпературной деформации и азотирования,
-моделирование поведения нитридов циркония в низкоуглеродистой стати, легированной цирконием, при вакуумных отжигах после внутреннего азотирования; установление закономерностей механостимулируемого упрочнения азотом конструкционных сталей. Экспериментальные исследования проводили в следующих направлениях:
металлоірафический и структурный анализ деформационного и дисперсного упрочнения конструкционных сплавов,
разработка технологии хнмико-термической обработки сталей и ниобиевых сплавов (с азотированием),
исследование различными методами характеристик вторичных фаз (их размеров, распределения объемной доли), состава матрицы по примесям внедрения, а также их влияния на свойства сплавов,
изучение температурно- временной стабильности ниобиевых сплавов после азотирования.
В работе были поставлены и решены следующие задачи :
-разработка и обоснование метода внутреннего азотирования конструкционных сплавов,
-определение эффективных параметров ХТО (степень предварительной деформации, температуры рекристаллизации, констант растворимости и диффузии азота в сплаве 5ВМЦ),
-оценка термической стабильности исследуемых сплавов,
-разработка эффективных режимов термической обработки деталей в растворах бишофита,
-изучение и реализация металлургических факторов, влияющих на изменение содержания азота в стали и эффективность термической обработки.
Научная новизна. Основные новые научные результаты, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом.
Исходя из гипотезы о влиянии примесей на сегрегационное обогащение, приво
дящее к разрушению с малой деформацией и низкой энергоемкостью, предсказана и
подтверждена на практике большая термическая стабильность ниобиевых сплавов
после внутреннего азотирования по сравнению с внутренним окислением, что явля
ется следствием большей плотности энергии связи атомов азота по сравнению с ки
слородом, а также создания гомогенной ячеистой структуры с ультрадисперсными
нитридами.
Реализованы механизмы процесса упрочнения сплавов с комбинированным уп
рочнением (котрелловский субструктурный -при низких температурах и фишеров-
ский дисперсный, сдерживающий рост зерна, -при высоких). В результате пластиче
ская деформация не локализуется на границах зерен с образованием хрупких тре
щин, а распределяется равномерно по всему объему зерен и жаропрочность ниобие-
6 вого сплава 5ВМЦ повышается в 2-3 раза по сравнению с исходным недеформиро-ванным состоянием и в 1,5 раза по сравнению с внутренним окислением, причем увеличение температуры вплоть до 1600 С сохраняет упрочненное состояние сплава и не приводит к заметному изменению свойств. Так как теоретические предпосылки упрочнения жаропрочных нйобиевых сплавов и конструкционных сталей связаны с использованием особенностей ультрамелкозернистой структуры с ультрадисперсными нитридами (реализация дислокационной ячеисто-нитридной структуры, в которой растворимость азота превышает равновесное значение), то выделение избыточной фазы при дисперсном упрочнении происходит не сразу, а в процессе дополнительных вакуумных отжигов, благодаря чему удается избежать охрупчивания металла из-за возникновения слоя поверхностных нитридов и блистеров. Важным преимуществом разрабатываемого метода внутреннего азотирования является возможность упрочнения готовых изделий, в том числе каналов теплоносителей химических и ядерных устройств, оболочек ТВЭЛ и др. В литературе вопросы внутреннего азотирования жаропрочных нйобиевых сплавов до настоящего времени не нашли должного освещения, больше внимания уделено процессам цементации и внутреннего окисления. В тоже время результаты диссертационной работы показывают перспективность основных принципов регулирования содержания азота в сплавах на основе ниобия и железа и разрабатываемого метода упрочнения тонкостенных ( до 1,2 мм) изделий, что позволило повысить предел прочности сплава при сохранении достаточно высокой пластичности.
Создана модель ХТО сплава, подвергнутого деформации, внутреннему азотированию, вакуумным отжигам, позволившая оптимизировать процессы термической и химико-термической обработки. Расчет режимов ХТО на основе математической модели позволил создать прогрессивную безотходную технологию ХТО сплавов со свойствами, достижимыми ранее при максимальном легировании.
Конкретизировано известное ранее положение о закаливающей и рафинирующей роли хлоридов, определены эффективные пути практического использования бишо-фита при термической обработке, а также в спецэлектрометаллургии, что приводит к нормированию содержания азота в сплавах и повышению эффективности термической обработки.
Практическая значимость работы. Определены температурно- временные режимы ХТО, показано преимущество ХТО с азотированием перед ХТО с окислением и стандартными способами дисперсного упрочнения.
7 Разработаны методики исследования физических и физико- химических свойств материалов, которые внедрены в учебный процесс Волгоградского госуниверситета по дисциплинам «Молекулярная физика», «Материаловедение» и «Рентгенография» (исследование переноса в жидких и твердых телах, определение плотности дислокаций в листовых материалах с высокой степенью пластической деформации, металлографический, дюрометрический и рентгеноструктурный анализ азотированных ниобиевых сплавов и конструкционных сталей).
Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в разработке принципиальных подходов к решению проблемы в целом, в совместной с соавторами формулировке конкретных технических, технологических и исследовательских задач при научном руководстве, в разработке научно обоснованных методов исследований, анализе и обобщении теоретических и экспериментальных результатов. Эксперименты и численные расчеты проводились совместно с аспирантом Смирновым К.О., научным руководителем которого является автор. Совместными с соавторами являются научно-производственные результаты, связанные с выполнением госбюджетных и хоздоговорных НИР, работ по договорам о научно-техническом сотрудничестве, где автор также являлся научным руководителем.
Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались на научном совещании АН СССР "Использование бишофита в народном хозяйстве" (выездная сессия по использованию ресурсов Прикаспийского региона, 14 марта 1986 г. г. Волгоград), на 1 Всероссийском семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении", (1997 г., МГУ, г. Москва), на 2 Всероссийском семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материатоведении"(1999г., г. Воронеж), на международной научно-технической конференции "Прогрессивные методы, технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий" (1997г., ВГТУ, г. Волгоград), на 1-й Всероссийской конференции "Современные вопросы теоретической и экспериментальной химии"(1997г., СГУ, г. Саратов), на 7-й международной конференции "Оптические, радиоволновыс, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий'', (1997г.,ЧГУ, г. Череповец), на научном семинаре «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» Международной Академии холода (1998г., Санкт-Петербург, СПбГАХПТ), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВолГУ,
8 на Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии», (1998г., г. Пенза. ПГУ).
Публикации. Основное содержании работы изложено в 37 публикациях. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, основных выводов, списка литературы и приложений, изложенных на 410 страницах, содержит 40 рис., 17 табл., 327 наименований используемой литературы.
