Процесс азотирования при получении порошка и исследование структуры сплава ЭП741НП, легированного азотом

Развитие современной техники лимитируется физико-механическими характеристиками выплавляемых сплавов, свойства которых зачастую определяются и повышаются за счет вводимых легирующих компонентов. К одному из легирующих элементов, весьма активно внедряемому в последние годы, следует отнести азот. Как правило, легирование азотом осуществляется ферросплавами, реже газообразным азотом, имеющим существенные преимущества. В процессах спецэлектрометаллургии легирование азотом можно проводить, используя, например, азотсодержащую плазму. Такой способ может быть осуществим и при получении порошкового металла за счет распыления заготовки азотсодержащей плазмой. Известно, что эксплуатационные свойства изделий из порошкового металла значительно выше, чем из литого. Это служило стимулом изучения свойств изделия, полученного из азотированного порошкового сплава ЭП741НП. В работе проведено исследование изменения химического, фазового состава, микроструктуры и микротвердости образцов сплава ЭП741НП. В качестве исследуемого материала использовались азотированные металлические порошки, изготовленные на установке плазменного центробежного распыления и слитки из гранул, полученные методом горячего изостатического прессования. Элементный состав полученных образцов определяли методом волнодисперсионной рентгенофлуоресцентной спектрометрии. С целью исследования микроструктуры металлопорошков и слитков использовали методы сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным микроанализатором. Микротвердость изучаемых образцов определяли на микротвердомере методом Виккерса. Анализ газообразующих примесей проводили на газоанализаторе фирмы Leco модели Rhen-602 и TC-600. Показано, что азотирование жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП возможно на стадии производства металлического порошка без существенной потери легирующих компонентов и резкого изменения химического состава. Отмечено повышение микротвердости полученных азотированных образцов в сравнении с исходным (литым) состоянием.

никелевые сплавы, азот, порошковая металлургия, плазменное центробежное распыление

1. Kawagishi K., Sato A., Kobayashi T., Harada H. Oxidation properties for 2nd–5th generation Ni-base single-crystal superalloys at 1023, 1173 and 1373 K // Journal of the Japan Institute of Metals and Materials. 2007. Vol. 71. No. 3. P. 313–319. https://doi.org/10.2320/jinstmet.71.313

2. Yokokawa T., Koizumi Y., Kobayashi T., Harada H. Effect of Re and Ru additions to second generation nickel-base single crystal superalloy TMS-82+ // Journal of the Japan Institute of Metals and Materials. 2006. Vol. 70. No. 8. P. 670–673. https://doi.org/10.2320/jinstmet.70.670

3. Oinuma S., Takaku R., Nakatani Y., Takeyama M. Creep degradation mechanism and creep damage assessment based on hardness method of precipitation strengthened wrought Ni-based superalloy // Zairyo /Journal of the Society of Materials Science, Japan. 2019. Vol. 68. No. 9. P. 673–679. https://doi.org/10.2472/jsms.68.673

4. Miura H. Direct laser forming of titanium alloy powders for medical and aerospace applications // KONA Powder and Practical Journal. 2015. Vol. 32. P. 253–263. https://doi.org/10.14356/kona.2015017

5. Kyogoku H., Ikeshoji Toshi-Taka. A review of metal additive manufacturing technologies: mechanism of defects formation and simulation of melting and solidification phenomena in laser powder bed fusion process // Mechanical Engineering Reviews. 2020. Vol. 7. No. 1. Article 19-00182. https://doi.org/10.1299/mer.19-00182

6. Zhang Qi, Zheng-long Liang, Miao Cao, Zi-fan Liu, An-feng Zhang, Bing-heng Lu. Microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy prepared by selective laser melting combined with precision forging // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017. Vol. 27. No. 5. P. 1036–1042. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(17)60121-3

7. Alkahari M.R., Furumoto T., Ueda T., Hosokawa A. Consolidation characteristics of ferrous-based metal powder in additive manufacturing // Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. 2014. Vol. 8. No. 1. Article JAMDSM0009. https://doi.org/10.1299/jamdsm.2014jamdsm0009

8. Araki M., Kusakawa S., Nakamura K., Yonehara M., Ikeshoji ToshiTaka, Kyogoku H. Parameter optimization on the fabrication of Al-10Si-0,4Mg alloy using selective laser melting process // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. 2018. Vol. 65. No. 7. P. 383–388. https://doi.org/10.2497/jjspm.65.383

9. Spowart E.J., Gupta N., Lehmhus D. Additive manufacturing of composites and complex materials // JOM. 2018. Vol. 70. No. 3. P. 272–274. https://doi.org/10.1007/s11837-018-2742-2

10. Chen B., Moon S.K., Yao X., Bi G., Shen J., Umeda J., Kondoh K. Comparison study on additive manufacturing (AM) and powder metallurgy (PM) AlSi10Mg alloys // JOM. 2018. Vol. 70. No. 5. P. 644–649. https://doi.org/10.1007/s11837-018-2793-4

11. Qian M. Metal powder for additive manufacturing // JOM. 2015. Vol. 67. No. 3. P. 536–537. https://doi.org/10.1007/s11837-015-1321-z

12. Rock C., Lara-Curzio E., Ellis B., Ledford C., Donovan N. L., Kannan R., Kirka M., Horn T. Additive manufacturing of pure Mo and Mo plus TiC MMC alloy by electron beam powder bed fusion // JOM. 2020. Vol. 72. No. 12. P. 4202−4212. https://doi.org/10.1007/s11837-020-04442-8

13. Sato N., Nakano S., Nagahari T., Nagoya T., Kakehi K. Microstructure of nickel-based superalloy fabricated by selective laser melting in vacuum // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. 2020. Vol. 67. No. 3. P. 121–124. https://doi.org/10.2497/jjspm.67.121

14. Mihara R. Net shape HIP technology for rocket engine parts // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. 2019. Vol. 66. No. 8. P. 391–394. https://doi.org/10.2497/jjspm.66.391

15. Hirata T., Kimura T., Nakamoto T. Effect of hot isostatic pressing on Al–10%Si–0,4 %Mg alloy fabricated by selective laser melting // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. 2019. Vol. 66. No. 1. P. 29–36. https://doi.org/10.2497/jjspm.66.29

16. Watanabe K. New technology introduction of the HIP equipment // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. 2019. Vol. 66. No. 1. P. 25–28. https://doi.org/10.1007/978-94-011-2900-8_76

17. Цветков Е.В., Базалеева К.О., Чекин И.С., Климова-Корсмик О.Г., Жидков А.С. Азотирование сталей различных структурных классов, полученных методами лазерных аддитивных технологий // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 1. С. 63–70. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-1-63-70

18. Костина М.В., Ригина Л.Г. Азотосодержащие стали и способы их производства // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 8. С. 606 – 622. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-606-622

19. Minagawa K., Liu Y., Kakisawa H., Halada K. Production of fine metallic powders by hybrid atomization process // JSME Int. Journal Series A: Solid Mechanics and Material Engineering. 2003. Vol. 46. No 3. P. 260–264. https://doi.org/10.1299/jsmea.46.260

20. Сентюрина Ж.А. Получение сферических порошков из сплавов на основе алюминида никеля NiAl для аддитивных технологий: Дисс. … канд. техн. наук. М., 2016. 168 с.

21. Логачева А.И. Комплексная технология изготовления тонкостенных элементов методом порошковой металлургии для производства деталей из конструкционных сплавов на основе титана и никеля для изделий ракетно-космической техники: Дисс. … докт. техн. наук. М., 2016. 408 с.

22. Лыков П.А., Рощин В.Е., Воробьев Е.И. Влияние технологических параметров распыления металлических расплавов на гранулометрический состав порошка и форму его частиц // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. Т. 55. № 6. С. 21–23.

23. Рудской А.И., Соколов Ю.А., Копаев В.Н. Особенности моделирования процесса получения гранул методом PREP // Научнотехнические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2015. № 1 (214). С. 123–129.

24. Gammal T., Randa Abdel-Karim., Marc Tell Walter, Wosch E., Feldhaus S. High nitrogen steel powder for the production of near net shape parts // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 7. P. 915–921. https://doi.org/10.2355/isijinternational.36.915

25. Католиков В.Д., Логачев И.А., Щукина Л.Е., Семин А.Е. Термодинамика растворимости азота в сплавах на базе никеля в условиях плазменно-дугового переплава // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 3−4. С. 231–237. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-3-4-231-237