Żarowytrzymałe stopy umocnione dyspersyjnie cząstkami tlenków (stopy ODS)

Dubiel, B.; Czyrska-Filemonowicz, A.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Żarowytrzymałe stopy umocnione dyspersyjnie cząstkami tlenków (stopy ODS)

Autorzy

Dubiel B. , Czyrska-Filemonowicz A.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Oxide dispersion strengthened (ODS) superalloys

Języki publikacji

Abstrakty

Stopy umocnione dyspersyjnie tlenkami (ang. Oxide Dispersion Strengthened, ODS) są nowoczesnymi materiałami konstrukcyjnymi pracującymi w wysokich temperaturach homologicznych. Koncepcja umocnienia stopów ODS zakłada stabilność termodynamiczną cząstek tlenków, które nie wydzielają się z osnowy metalicznej, lecz wprowadzane są do niej mechaniczną syntezą. W pracy przedstawiono charakterystykę własności i mikrostruktury stopów ODS na osnowie niklu, żelaza i aluminium. Szczególną uwagę poświęcono stopom żelaza, ze względu na ich wysoką odporność na korozję gazową i w związku z tym możliwość zastosowania w lotnictwie i astronautyce, do wyrobu elementów pieców przemysłowych, komór spalania silników Diesla i turbin gazowych. Najszersze zastosowanie znajdują stopy INCOLOY MA956 oraz PM2000, w których dodanie do ferrytycznej osnowy Fe-20Cr-4,5Al około 0,5% wagowych tlenku Y2O3 umożliwia uzyskanie dobrych własności wytrzymałościowych i odporności na utlenianie do temperatury 1 100 stopni Celsjusza. W pracy wykazano, że przyczyną spadku wytrzymałości stopów ODS po długotrwałym wyżarzaniu w temperaturach powyżej 1 100 stopni Celsjusza jest koagulacja cząstek tlenków. Stwierdzono, że już w trakcie zagęszczania mechanicznie syntezowanej mieszaniny proszków metodą wyciskania na gorąco, cząstki tlenku Y2O3 reagują z glinem z osnowy, tworząc złożone tlenki itrowo-glinowe. Wykazano, że w ferrytycznych stopach ODS występują cztery rodzaje tlenków itrowo-glinowych: 3Y2O3*5Al2O3 o strukturze tetragonalnej (YAT), Y2O3*Al2O3 o strukturze rombowej typu perowskitu (YAP), 2Y2O3*Al2O3 o strukturze jednoskośnej (YAM) oraz Y2O3*Al2O3 o strukturze heksagonalnej (YAH). Zaobserwowano, że od temperatury 1 100 stopni Celsjusza cząstki tlenków itrowo-glinowych zaczynają rosnąć, przyjmując kształt wydłużonych wielościanów. Proces wzrostu tlenków jest jednak wolniejszy, niż w przypadku węglików, czy też faz międzymetalicznych (na przykład fazy gamma'). Różnorodność tlenków itrowo-glinowych sprawia, że podczas koagulacji cząstek w osnowie ferrytycznych stopów ODS zachodzą jednocześnie przemiany kilku faz tlenkowych. Ponadto procesem towarzyszącym wzrostowi tlenków jest ubytek glinu z osnowy, związany z tworzeniem się na powierzchni stopu zgorzeliny Al2O3. Uniemożliwia to wytłumaczenie procesu wzrostu cząstek na gruncie klasycznych teorii koagulacji. Niestabilność cząstek tlenków itrowo-glinowych stanowi bardzo poważne ograniczenie w efektownym wykorzystaniu ferrytycznych stopów ODS do pracy w wysokich temperaturach.

Oxide Dispersion Strengthened (ODS) alloys are advanced materials for high temperature components. Production of ODS alloys involves mechanical alloying process to create material with ductile matrix and hard oxide dispersoid. Strengthening oxides (e.g. yttria) are selected due to its extreme thermodynamic stability. The paper presents information concerning the properties and microstructure of Fe-, Ni- and Al-based ODS alloys. The Fe-base ODS alloys are of considerable interest because of its very good oxidation resistance and therefore are used for aircraft and aerospace applications, components of industrial furnaces, gas-turbine combustion chambers and Diesel engines. The Fe-Cr-Al ODS alloys INCOLOY MA956 and PM2000, containing 0.5 wt% of Y2O3 exhibit exceptional strength and oxidation resistance up to 1 100 degrees centigrade. The research carried out on the ferritic ODS alloys showed that the loss of strength at temperatures above 1 100 degrees centigrade is caused by the dispersoid growth. Systematic investigations on the chemical composition showed that the Y2O3 added could not be detected even in as-received material due to the uptake of aluminium into the oxides particles. Instead, mixed Y-Al oxides have been identified, which showed the phases: 3Y2O3*5Al2O3 (tetragonal, YAT), Y2O3*Al2O3 (Al-perovskite, YAP), 2Y2O3*Al2O3 (monoclinic, YAM) and Y2O3*Al2O3 (hexagonal YAH). The high temperature exposure above 1 100 degrees centigrade caused pronounced growth and facetting of particles. The growth of oxide dispersoid in ferriric matrix is not such pronounced as in case of carbides or intermetallic phases (e.g. gamma'). The coarsening occurs simultaneously in a number of different dispersoid phases and phase transformations take place. The additional uptake of Al is used for scale formation. Therefore the conventional theories of coarsening cannot be applied to describe the dispersoid growth in ODS alloys.

Słowa kluczowe

nadstop stop umocniony dyspersyjnie tlenkami stop żarowytrzymały ODS Incoloy wytrzymałość odporność na utlenianie skład chemiczny makrostruktura

superalloy oxide dispersion strengthened superalloys ODS Incoloy strength oxidation resistance chemical composition macrostructure microstructure

Wydawca

Wydawnictwo SIGMA-NOT

Czasopismo

Inżynieria Materiałowa

Rocznik

2000

Tom

R. XXI, nr 1

Strony

20--28

Opis fizyczny

Bibligr. 65 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Dubiel B.

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

autor

Czyrska-Filemonowicz A.

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Bibliografia

[1] Gessinger G.H., Bomford M. J.: Powder Metallurgy of Superalloys, International Metallurgical Reviews, vol. 19, 1974, s. 51
[2] Fink C. G.: Ductile Tungsten and Molybdenum, Trans. Am. Electrochem. Soc., vol. 17, 1910, s. 229
[3] Coolidge W. D.: Ductile Tungsten, Trans. Am. Inst. Electr. Eng., vol. 29, 1910, s. 961
[4] Rhines F. N.: Metallographic Study of Internal Oxidation in Solid Solution of Copper, Trans. AIME 137, 1940, s. 249
[5] Meijering J. L., Druyveteyn M. J: Hardening of Metals by Internal Oxidation, Philips Res. Rep. 2, 1947, s. 260
[6] DeJong J. J.: Internal Oxidation of Copper and Beryllium Alloys, Ingenieur 64, 1952, s. 92
[7] Irmann R.: Sintered Aluminium Powder with High Strength at Elevated Temperatures, Metalurgia, vol. 46, 1952, s. 125
[8] Alexander G. B., Glasgow T. K.: A Brief History of Oxide Dispersion Strengthened Alloys, Mechanical Properties of Metallic Composites. ed. Shojiro Ochiai, Marcel Dekker, Inc. Nowy Jork, USA, 1994, s. 5
[9] Benjamin J. S.: Dispersion Strengthened Superalloys by Mechanical Alloying, Met. Trans I, 1970, s. 2943
[10] Benjamin J.S.: Mechanical Alloying, Scientific American, vol. 234, nr 5, 1976, s. 40
[11] Czyrska-Filemonowicz A., Dubiel B., Wasilkowska A.: Stopy ODS: struktura i własności, Materiały konferencji sprawozdawczej PAN .,Metalurgia'98", 1998, Krynica, s. 443
[12] Paduch J., Krztoń H, Wojtas J.: Wytwarzanie proszków amorficznych i drobnokrystalicznych metodą mechanicznej syntezy składników (Mechanical Alloying), Hutnik-Wiadomości Hutnicze nr 3 1992, s. 40
[13] Czyrska-Filemonowicz A., Krautwasser P.: TEM Study of Dispersoids in Ferritic ODS Alloys, Materiały 11 Europejskiego Kongresu Mikroskopii Elektronowej, EUREM'11, 7-11.09.1992, Granada, A. Lopez-Galindo (red.), vol. 2, 1992, s. 245
[14] Wróbel M., Schwarze D., Dubiel B., Ennis P. J., Czyrska-Filemonowicz A.: The Microstructure and Mechanical Properties of the Oxide Dispersion Strengthened INCOLOY MA956, Archives of Metallurgy, vol. 40, 1995, s. 447
[15] Wiencek K., Krautwasser P., Dubiel B., Osuch W., Zielińska- Lipiec A., Czyrska-Filemonowicz A.: Quantitative Untersuchungder Dispersoide in der Legierung INCOLOY MA956 mittels TEM und SANS. Praktische Metallographie, vol. 25, 1994, s. 445
[16] Wasilkowska A., Ratuszek W., Czyrska-Filemonowicz A.: Determination of Grain Orientations in Recrystallized ODS Alloy INCOLOY MA956, Materiały XVII Konferencji „Applied Crystallography", 31.08-4.09.1997, Katowice-Wisła, H. Morawiec, D. Stróż (red.), World Scientific Publishing Co., 1998, s. 264
[17] Wasilkowska A, Penkalla H. J., Czyrska-Filemonowicz A.: Multiaxial Creep of Ferritic ODS Alloys, Materiały V Konferencji ,,Advanced Materials. Processes and Applications", EUROMAT '97. 21-23.04.1 997, Maastricht, Holandia, S.A. Sarton, H. B. Zeedijk (red.), vol. l , 1997, s. 185
[18] Czyrska-Filemonowicz A., Clemens D., Quadakkers W. J.: The Effect of High Temperature Exposure on the Structure and Oxidation Behaviour of Mechanically Alloyed Ferritic ODS Alloys, J. Materials Processing Technology, 53, 1995, s. 93
[19] Dubiel B., Osuch W., Wróbel M., Ennis P.J., Czyrska-Filemonowicz A.: Correlation of the Microstructure and the Tensile Deforrnation of INCOLOY MA956, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 53, nr 1 i 2, 1995, s. 121
[20] Czyrska-Filemonowicz A., Wróbel M., Dubiel B., Ennis P. J.: Transmission Electron Microscopy Study of Dislocation-Dispersoid Interaction in Deformed INCOLOY MA956, Scripta Metallurgica et Materialia, Vol. 32. 1995, s. 331
[21] Schuster H., Herzog R. , Czyrska-Filemonowicz A.: Iron-base, Oxide Dispersion Strengthened Alloys: Tensile and Creep Behaviour and Its Modelling, Metallurgy and Foundry Engineering, vol. 4, 1995, s. 273
[22] Herzog R. , Wasilkowska A., Czyrska-Filemonowicz A., Schuster H.: Quantitative Microstructural Analysis and Modelling of High Temperature Deformation Behaviour of an Iron-Base ODS Alloy, Materiały IX Conference on Electron Microscopy of Solids, EM'96, Kraków-Zakopane A. Czyrska-Filemonowicz i in. (red.) 1996, s. 379
[23] Dubiel B., Zielińska-Lipiec A., Wróbel M., Osuch W., Ennis P. J., Czyrska-Filemonowicz A.: Quantitative TEM microstructural studies of INCOLOY MA956 after tensile and compression deformation, jw., s. 401
[24] Wasilkowska A., Herzog R., Schuster H., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructural Evolution of Ferritic ODS alloy PM2000 During High Temperature Steady State Deformation, Materiały 11 European Congress on Electron Microscopy, 26-30.08.1996, Dublin Irlandia Committee of European Societies of Microscopy (CESM), Brussel, vol. 2, 1998, s. 323
[25] Wasilkowska A., Herzog R., Czyrska-Filemonowicz A.: Quantitative Microstructural TEM Investigations of ODS Alloy PM2000 after High Temperature Creep Deformation, Archives of Metallurgy, vol. 42, 1997, s. 89
[26] Dubiel B., Wróbel M., Ennis P. J., Czyrska-Filemonowicz A.: The Microstructure of INCOLOY MA956 Single Crystals after Compression Deformation, Praktische Metallographie, vol. 27, 1995, s. 383
[27] Dubiel B., Wróbel M., Ennis P. J., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructure of INCOLOY MA956 after Low and High Temperature Deformation, Scripta Materialia, vol. 37, 1997, s. 1215
[28] Czyrska-Filemonowicz A., Szot K., Wasilkowska A., Gil A., Quadakkers W. J.: Microscopy (AFM, TEM, SEM) Studies of Oxide Scale Formation of FeCrAl-based ODS Alloys, Solid State Ionics, 117, 1998, s. 13
[29] Dubiel B.: Analiza zjawisk i własności mechanicznych stopu INCOLOY MA956 w warunkach obciążenia przy wysokich temperaturach, AGH Kraków 1995 (praca doktorska)
[30] Wasilkowska A.: Żarowytrzymałość i żaroodporność stopów ODS korelacja własności za zmianami mikrostruktury, AGH Kraków 1998 (praca doktorska)
[31] Formanek B., Maciejny A, Szopiński K. , Olszówka-Myalska A.: Kompozytowe materiały proszkowe otrzymywane metodą mechanicznego stopowania, Inżynieria Materiałowa, nr 3-4, 1999, s. 137
[32] Grigoriew H., Jachimowicz M .: Study of the Mechanical Nanocrystallization Process of Amorphous Fe78B13Si9 Alloy Using the Pair Function Method, J. Appl. Phys. 78, 1995, s. 132
[33] Oleszak D., Burzyńska-Szyszko M., Matyja H.: Structural Changes During Mechanical Alloying of Elemental Al-Ti, Al-Nb and Ti-Si Powders, Journal of Materials Science Letters 12, 1993, s. 3
[34] Oleszak D., Jachimowicz M ., Matyja H.: Mechanical Alloying in the Fe-based Systems, Mater. Sci. Forum 179-181, 1995, s. 215
[35] Oleszak D., Matyja H.: Nanocrystalline Fe-based Alloys Obtained by Mechanical Alloying, Nanostructured Mater, 6, 1995, s. 425
[36] Oleszak D., Shingu P. H.: Nanocrystalline Metals Prepared by Low Energy Ball Milling, J. Appl. Phys., 79, 1996, s. 2975
[37] Oleszak D., Shingu P. H.: Amorphous Fe-Al Alloys Obtained by Mechanical Alloying, Materials Science Forum, 235-238, 1997, s. 91
[38] Formanek B., Szopiński K., Gierek A.: The Al-Ni-SiC, AJ-Ti-SiC Composite Powders Formed in the Mechanical Alloying Process, Materiały VIII International Conference „Achivements in Mechanical and Materials Engineering", Gliwice-Rydzyna-Pawłowice- Rokosowo, L. A. Dobrzański i in. (red.), 1999, s. 205
[39] Formanek B., Szymański K., Babiak Z., Olszówka-Myalska A., Berdej K., Pająk L.: Mechanochemical Syntesis of Composite Powders Containing Aluminide and Aluminium Oxide, Materiały VIII International Conference „Achivements in Mechanical and Materials Engineering", Gliwice-Rydzyna-Rokosowo, L. A. Dobrzański i in. (red.), 1999, s. 209
[40] Olszówka-Myalska A., Śleziona J., Formanek B., Myalski J.: Structure of Bonding Between Composite Powder and Aluminium Alloy Formed During Casting, Materiały VIII International Conference „Achivements in Mechanical and Materials Engineering", Gliwice-Rydzyna-Pawłowice-Rokosowo , L. A. Dobrzański i in. (red.), 1999, s. 437
[41] Olszówka-Myalska A.: Struktura połączenia ceramika-metal w wybranych kompozytach z osnową metalową, Inżynieria Materiałowa, Nr 3-4, 1999, s. 144
[42] IncoMAP MA956 - informacja producenta stopu
[43] Fischer J. J.: ODS Ferritic Alloys, Mechanical Properties of Metallic Composities, Shojiro Ochiai (red.), Marcel Dekker, Inc. Nowy Jork, USA, 1994, s. 309
[44] Singer R. F., Arzt E.: Structure, Processing and Properties of ODS Superalloys, Materiały Konferencji „High Temperature Alloys for Gas Turbine and Other Aplications", Liege, Belgia, 1986, s. 97
[45] Nutting J., Ubhi S., Hughes T. A.: The Development of Microstructure in INCOLOY MA956, Frontiers of High Temperature Materials I, J. S. Benjamin (red.), Inco Alloys International, New York, 1992, s. 39
[46] Evens J.P., Martin J. W.: Zone Annealing of Ferritic ODS Superalloy: MA957, Mat. Science Forum, 94-96, 1992, s. 643.
[47] Chou T. S., Bhadeshia K. D. H.: Grain Control in Mechanically Alloyed Oxide Dispersion Strengthened MA957 Steel, Materials Science and Technology, vol. 9, 1993, s. 890
[48] Materiał Data Sheet ODS Superalloys, PM Hochtemperatur GmbH, informacja producenta
[49] Evans R. W., Preston J., Wilshire B., Little E. A.: Creep Transients in a Nuclear-grade ODS Ferritic Steel, Journal of Nuclear Materials 195, 1992, s. 24
[50] Kazimierzak B., Prignon J.M., Starr K., Coheur L., Lecomte C., Coutsuradis W., Lambengts M.: Development of Ferritic ODS Tubes for Heat Exchangers Operating above 1100°C, Materiały Konferencji „Structural Applications of Mechanical Alloying”, F. Froes, J. DeBarbadillo (red.), Myrtle Beach, South Carolina, USA, 1990, s. 131
[51] Korb G., Pitois G.: Production of Tubes of PM2000 Alloy via ANVAL Processing Route, Materiały 13th Plansee Seminar, H. Bildstein i in. (red), Plansee, Reutte, vol. 1, 1993, s. 871
[52] Schuster H., Herzog R., Czyrska-Filemonowicz A., Banhardt V.: Iron Base, Oxide Dispersion Strengthened Alloys: Tensile, Creep and Low Cycle Fatigue Behaviour, Trans. Indian Inst. Met., vol. 49, nr 4, 1966, s. 377
[53] Abell J. S.,. Harris I. R, Cockayne B., Lent B.: An Investigation of Phase Stability in the Y203-Al203 System, Journal of Materials Science, 9, 1974, s. 527
[54] Cama H., Hughes T. A.: Particie Coarsening in Oxide Dispersion Strengthened Ferritic Alloys, Materiały VIII Konferencji Mikroskopii Elektronowej Ciała Stałego EM’93, S. Gorczyca (red.). 1993, s. 276
[55] Cama H.: The effect of high temperature exposure on the second phase paiticle populations in mechanically alloyed frritic oxide dispersion strengthened alloys, Leeds University, Wielka Brytania,1994 (praca doktorska)
[56] Krautwasser P., Czyrska-Filemonowicz A. , Widera M., Carsughi F.: Thermal Stability of Dispersoids in Ferritic ODS Alloys. Materials Science and Engineering A, 117, 1984, s. 139
[57] Froes F. H., deBarbadillo J. J., Suryanarayana C. : Development, Technology Transfer and Application of Advanced Aerospace Structural Materials, Materiały Konferencji „Structural Applications of Mechanical Alloying”, F. Froes, J. deBarbadillo (red.). Myrtle Beach, South Carolina, USA, 1990, s. 1
[58] IncoMAP MA754 – informacja producenta stopu
[59] Schaffer G.B, Loretto M.H., Smallman R. E., Brooks J.W.; The Stability of the Oxide Dispersion in INCONEL Alloy MA6000, Acta Metallurgica, 37, 1989, s. 2551
[60] Benn R. C., Benjamin J. S.: Nickel-based Dispersion Strengthened Alloys, Mechanical Properties of Metallic Composities, ed. Shojiro Ochiai, Marcel Dekker, Inc. Nowy Jork, USA, 1994, s. 319
[61] Benjamin J. S., Bomford J.: Dispersion Strengthened Aluminium Made by Mechanical Alloying, Met. Trans. A, vol. 8A, 1977, s. 1301
[62] Peak Werkstoff GmbH, Werkstoff – Program, informacja producenta
[63] Benn R.C., Mirchandani P. K.: Dispersion Strengthening by Mechanical Alloying, Materiały Konferencji DGM „New Materials by Mechanical Alloying Techniques”, Calw-Hirsau, Niemcy, E. Arzt, L. Schultz (red.), DGM Informationgesellschaft, Verlag, 1988, s. 19
[64] Rösier J.: Hochtemperaturkriechen dispersions verfestigter Aluminiumwerkstoffe, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1988 (praca doktorska)
[65] El-Magd E., Nicolini G.: Mechanical Properties and Microstructure of Dispersion Reinforced Aluminium Alloys, Materiały V Konferencji „Advanced Materials and Processes and Applications”, EUROMAT’97 vol. 1, Metals Composites, L. A. Sarton (red.), Maastricht, 1997, s. 263

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BOS1-0010-0019