Μελέτη του Διαφορισμού του Nb σε Υπερκράματα Νικελίου Τύπου Inconel 718

Abstract

Κατά την παραγωγή υπερκραμάτων νικελίου συνήθως ένα στάδιο επανάτηξης (remelting) ακολουθεί το πρωταρχικό στάδιο της τήξης με επαγωγή υπό κενό (vacuum induction melting-VIM). Μέσω της διαδικασίας της επανάτηξης η καθαρότητα και σε ορισμένο βαθμό, η ομοιογένεια του χυτευμένου μετάλλου βελτιώνονται. Γενικά, οι κύριες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για το στάδιο της επανάτηξης είναι η μέθοδος electroslag remelting (ESR) ή η μέθοδος vacuum arc remelting (VAR). Επιπλέον, σε περιπτώσεις όπου τα παραγόμενα χυτά προορίζονται για εφαρμογές υψηλών επιδόσεων ο συνδυασμός όλων των προηγούμενων μεθόδων (triple melt) είναι επιτακτικός. Για την παραγωγή ομοιογενών πλινθωμάτων και χωρίς ελαττώματα, η ποιότητα των πρωτογενών παραγόμενων πλινθωμάτων είναι σημαντική. Ειδικότερα, κατά την μέθοδο VAR τα παραγόμενα χυτά έχουν την τάση να σχηματίζουν σημαντικές διακενώσεις. Επιπλέον, ατέλειες όπως τα dendritic white spots μπορούν να σχηματιστούν αν στις διακενώσεις των πλινθωμάτων από το πρωτογενές στάδιο παραγωγής σχηματίζονται συμπλέγματα δενδριτών. Ενδεχόμενη πτώση δενδριτών από τις διακενώσεις στο λουτρό τήγματος και βύθιση αυτών στον πυθμένα του χωρίς να τηχθούν, θα έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό των dendritic white spots, κατά την μέθοδο. Ακόμη, κατά την παραγωγή κραμάτων που εμφανίζουν το φαινόμενο του διαφορισμού, όπως τα υπερκράματα νικελίου, έχει δοθεί σημαντική προσοχή για την ομοιογενή κατανομή των κραματικών στοιχείων. Οι διαδικασίες επανάτηξης, είναι γνωστό ότι μπορούν να μειώσουν το φαινόμενο του μικροδιαφορισμού, αλλά μόνο σε μικρό βαθμό. Σε περιπτώσεις όπου ο διαφορισμός στα πρωτογενή πλινθώματα εμφανίζεται σε πιο έντονο βαθμό, τότε η μείωση του φαινομένου του διαφορισμού μέσω της διαδικασίας επανάτηξης είναι σχεδόν αδύνατη. Από τα παραπάνω, γίνεται κατανοητό ότι η αρχική ποιότητα των πλινθωμάτων για την παραγωγή υπερκραμάτων νικελίου, είναι σημαντική για τις μεθόδους παραγωγής που ακολουθούν. Καθώς η δομή των χυτευμένων πλινθωμάτων εξαρτάται από το ρυθμό απόψυξης κατά την στερεοποίηση τους, πραγματοποιήθηκε έρευνα στο Ινστιτούτο ΙΜΕ, του Πανεπιστημίου RWTH στο Aachen Γερμανίας, σε συνεργασία με το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ώστε να ερευνηθεί η χρήση ενός υδρόψυκτου χάλκινου καλουπιού για την παραγωγή υπερκραμάτων νικελίου. Για αυτό το λόγο, πραγματοποιήθηκε χύτευση του υπερκράματος νικελίου 718 σε υδρόψυκτο χάλκινο καλούπι, καθώς και σε συμβατικό καλούπι γκρίζου χυτοσιδήρου υπό τις ίδιες συνθήκες χύτευσης(θερμοκρασία χύτευσης, πίεση, ρυθμός απόγχυσης). Για να μελετηθεί ο βαθμός του μακροδιαφορισμού, δείγματα από όλο το μήκος των πλινθωμάτων εξετάστηκαν μέσω της τεχνικής Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Επιπλέον, δοκίμια προετοιμάστηκαν για μεταλλογραφική ανάλυση και μέσω οπτικής μικροσκοπίας καθορίστηκε το μήκος των δευτερογενών κλάδων των δενδριτών, ενώ με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης μελετήθηκε ο μικροδιαφορισμός ανάμεσα στους δενδρίτες και τις περιδενδριτικές περιοχές.

Commonly, in the production of nickel-based superalloys a remelting step follows primary vacuum induction melting (VIM). The remelting process improves the cleanliness, the compactness and to a certain extent the homogeneity of the metal. Generally, electroslag remelting (ESR) or vacuum arc remelting (VAR) are the main remelting processes. Also, in case of components in high performance applications the combination of all three processes to the so-called triple melt route (VIM ESR VAR) is compulsory. In order to ensure the production of defect-free and homogeneous ingot, the quality of ingots is essential. Especially the VAR-process is prone to the presence of imperfections in the electrode like radial cracks or an extensive cavity pipe. Moreover, dendritic white spots can be formed, in case that the pipe from VIM-ingot, contains dendrite clusters that can fall into the melt and sink to the bottom of the pool without melting. In the production of alloys that are prone to segregation, the attention has additionally to be turned to the homogeneous distribution of the alloying elements. The remelting processes are known to reduce microsegregation, but as in the processes only a small volume of the metal is molten at a time, there is no possibility given to remove severe segregation over the height of the primary ingot that occurred during solidification. As the structure of casting ingots strongly depends on the cooling rate during solidification, an investigation was carried out at IME Institute, RWTH Aachen University in collaboration with National Technical University of Athens, to identify the potential of water-cooled copper as a mould material for the production of nickel-based superalloys. Therefore, in technical scale electrodes of alloy 718 were cast into water-cooled copper moulds as well as conventional moulds of grey cast iron under the exact same conditions (casting temperature, pressure, pouring rate). To reveal the degree of macrosegregation, the produced ingots were cut longitudinally and radial samples were taken from different heights out the ingot and analyzed via laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). Also, radial samples were afterwards metallographically prepared and analyzed via light microscopy to determine the secondary dendrite arm spacing. Finally, these samples have been analyzed via scanning electron microscopy to reveal the microsegregation.