Термодинамика растворимости азота в сплавах на базе никеля в условиях плазменно-дугового переплава

Жаропрочные сплавы на базе никеля нашли широкое применение в отечественном авиастроении, ракетостроении и приборостроении. Повышение основных механических и эксплуатационных характеристик металла достигается, в основном, за счет легирования основы различными элементами, такими как рений, рутений, гафний и др. Однако повышения эксплуатационных свойств можно также добиться за счет азотирования металла, в результате которого образуются твердые растворы внедрения (мелкодисперсные нитриды), повышающие прочность сплава. Работа посвящена изучению процесса азотирования сложнолегированных сплавов на никелевой основе. Рассматриваются различные варианты взаимодействия азота с расплавом в условиях проведения открытой плавки и при обработке низкотемпературной азотсодержащей плазмой. Применение плазменно-дугового переплава позволяет получать в плазменном факеле различные формы газа в виде атомов, ионов и молекул. Первые две формы намного активнее молекулярного азота, что приводит к получению в сплаве сверхравновесных концентраций. Проведен термодинамический анализ растворимости азота в расплаве на базе никеля при проведении открытой плавки и в условиях плазменно-дугового переплава. Рассчитана растворимость азота в модельном сплаве ЭП741НП в зависимости от парциального давления азота над поверхностью расплава и в плазмообразующем газе. Показано, что обработка расплава азотосодержащей плазмой позволяет получить в сплаве более высокое содержание азота. Проведена оценка температуры металла в зоне контакта с плазменной дугой с использованием методики, согласно которой испарение компонентов расплава с площади пятна дуги происходит при достижении точки кипения металла.

1. Esmaeili H., Mirsalehi S.E., Farzadi A. Effect of joining atmosphere in transient liquid phase bonding of Inconel 617 superalloy // Metallurgical and Materials Transactions B. 2017. Vol. 48. No. 6. P. 3259 - 3269.

2. Жукова Т.Г., Логачева А.И. Формирование заданного комплекса свойств из гранулируемого никелевого сплава ЭП741НП.- В кн.: Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии // Матер. Всероссийской науч.-технич. конф. 7 - 10 апреля 2015 г., Москва. МГТУ им. Н.Э.Баумана. - М.: ООО «КванторФорм», 2015. С. 205 - 213.

3. Wosch E., Feldhaus S., El Gammal T. Rapid solidification of steel droplets in the plasma-rotating-electrode-process // ISIJ International. 1995. Vol. 35. No. 6. P. 764 - 770.

4. Shou-ren G., Heming F. Effect of rare-earth elements on the mechanical properties and chemical properties of Ni-Cr system heat resisting alloys // The Chinese Journal of Nonferrous Metals. 1987. No. 5 (1). P. 51 - 56.

5. Jian-ting G. Effect of several minor elements on superalloys and their mechanism // The Chinese Journal of Nonferrous Metals. 2011. Vol. 21. No. 3. P. 465 - 475.

6. Wen D., Liang-yue X., Jian-ting G. Zr and Si microdefects in Ni3Al alloys // Chinese Science Bulletin. 1994. Vol. 12. No. 39. P. 993 - 996.

7. Приходько В.М., Петрова Л.Г., Чудина О.В. Металлофизические основы разработки упрочняющих технологий. - М.: Машиностроение, 2003. - 384 с.

8. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Структура и прочность азотированных сплавов. - М.: Металлургия, 1982. - 176 с.

9. Козлова О.Ю., Овсепян С.В., Помельникова А.С., Ахмедзянов М.В. Влияние высокотемпературного азотирования на структуру и свойства свариваемых жаропрочных никелевых сплавов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. № 6. С. 33 - 42.

10. Torkhov G.F., Latash Yu.V., Fessler R.R. etc. Development of melting and thermomechanical-processing parameters for a high-nitrogen stainless steel prepared by plasma-arc remelting // JOM, The journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 1978. Vol. 30. No. 12. P. 20 - 27.

11. Sinha O.P., Gupta R.C. Nitrogen absorption rate under plasma arc compared to resistance and induction melting // ISJI International. 1994. Vol. 34. No. 3. P. 295 - 297.

12. Быков С.С., Столяров А.М. Изучение степени насыщения азотом полупродукта для получения нержавеющей азотистой стали // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2007. № 3. С. 40 - 43.

13. Щукина Л.Е. Исследование и разработка процесса легирования металла азотом в агрегатах специальной металлургии с целью повышения качества стали: Дисс. ... канд. тех. наук. - М., 2018. - 116 с.

14. Sinha O.P., Gupta R.C. Fe-Cr melt nitrogenation when exposed to nitrogen plasma // ISIJ International. 1993. Vol. 33. No. 5. P. 567 - 576.

15. Kobayashi Y., Todoroki H., Shiga N., Ishii T. Solubility of nitrogen in Fe-Cr-Ni-Mo stainless steel under a 1 atm N2 gas atmosphere // ISJI International. 2012. Vol. 52. No. 9. P. 1601 - 1606.

16. Fegredo D.M. Some tensile and fatigue properties of Zn-ZnO powder composites at various temperatures // Canadian Metallurgical Quarterly. 1973. Vol. 12. No. 4. P. 487 - 496.

17. Bhouri M., Mazali F. Study of Al 2017 alloy prepared by recycling method via powder metallurgy route // Advances in Materials, Mechanics and Manufacturing: Proceedings of the Second International Conf. on Advanced Materials, Mechanics and Manufacturing (A3M’2018), December 17 - 19, 2018 Hammamet, Tunisia. 2018. P. 9 - 16.

18. Shen J., Chen B., Umeda J., Kondoh K. Advanced mechanical properties of a powder metallurgy Ti-Al-N alloy doped with ultrahigh nitrogen concentration // JOM. 2018. No. 70. P. 626 - 631.

19. Sigworth G.K., Elliott J.F., Vaughn G., Geiger G.H. The thermodynamics of dilute liquid nickel alloys // The Canadian Journal of Metallurgy and Materials Science. 1977. Vol. 16. No. 1. P. 104 - 110.

20. Siwka J., Hunty A. An universal formula for the calculation of nitrogen solubility in liquid nitrogen-alloyed steels // Metalurgija. 2009. Vol. 48. No. 1. P. 23 - 27.

21. Abdulrahman R.F., Hendry A. The solubility of nitrogen in liquid pure nickel // Metallurgical and Materials Transactions B. 2001. Vol. 32. No. 6. P. 1095 - 1101.

22. Abdulrahman R.F., Hendry A. Solubility of nitrogen in liquid nickel-based alloys // Metallurgical and Materials Transactions B. 2001. Vol. 32. No. 6. P. 1103 - 1112.

23. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1987. - 272 c.

24. Белянчиков Л.Н. Универсальная методика пересчета значений параметров взаимодействия элементов с одной основы сплава на другую на базе теории квазирегулярных растворов. Часть II. Оценка параметров взаимодействия элементов в никелевых сплавах // Электрометаллургия. 2009. № 2. С. 29 - 38.

25. Белянчиков Л.Н. Оценка параметров взаимодействия элементов в расплавах на основе никеля // Электрометаллургия. 2006. № 8. С. 29 - 37.

26. Зубарев К.А. Котельников Г.И. Титова К.О. и др. Прогнозирование температуры ликвидус сложнолегированных сплавов на основе никеля // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 9. С. 644 - 649.

27. Кубашевский О., Олкокк К.Б. Металлургическая термохимия. - М.: Металлургия, 1982. - 392 с.

28. Белянчиков Л.Н. Оценка возможности испарительного рафинирования никелевых сплавов от вредных цветных примесей в вакууме // Электрометаллургия. 2009. № 5. С. 24 - 32.

29. Белянчиков Л.Н. Универсальная методика пересчета значений взаимодействия элементов с одной основы сплава на другую на базе теории квазирегулярных растворов. Часть I. Теоретические основы и адекватность модели пересчета // Электрометаллургия. 2009. № 1. С. 23 - 29.

30. Woo I., Kikuchi Y. Weldability of high nitrogen stainless steel // ISIJ International. 2002. Vol. 42. No. 12. P. 1334 - 1343.

31. Bandopadhyay A., Banerjee A., Debroy T. Nitrogen activity determination in plasmas // Metallurgical Transactions B. 1992. Vol. 23. No. 2. P. 207 - 214.

32. Шабалов И.П., Филиппов Г.А., Семин А.Е., Щукина Л.Е. Влияние способа азотирования жидкого расплава на содержание азота в стали // Металлург. 2015. № 1. С. 64 - 67.