К вопросу о возможности использования порошка оксида иттрия как упрочняющей фазы при центробежном литье ферритных и аустенитных сталей

TO THE QUESTION OF THE POSSIBILITY OF USING YTTRIUM OXIDE POWDER AS A STRENGTHENING PHASE FOR CENTRIFUGAL CASTING OF FERRITE AND AUSTENITIC STEELS

Valery Chumanov

Candidate of technical sciences, South Ural State University (National Research University), Russia, Chelyabinsk

Аннотация. В статье рассмотрены актуальность создания новых материалов, в которых искусственно объединены высокопластичные металлические матрицы и тугоплавкие высокопрочные, высокомодульные наполнители. Одной из таких технологий является механическое легирование. При использовании данной технологии в железной и никелевой матрице наиболее стабильными являются частицы оксида иттрия Y₂O₃. Рассмотрена технология повышения механических свойств металлических материалов за счёт введения дисперсных частиц в жидкий расплав при разливке с использованием машины центробежного литья, и обозначены направления разработки наиболее эффективной технологии создания металлических материалов на основе железной или никелевой матрицы, дисперсно-упрочненных оксидом иттрия.

Abstract. The article discusses the relevance of creating new materials that artificially combine high-plastic metal matrices and refractory high-strength, high-modulus fillers. One of these technologies is mechanical alloying. When using this technology in particles of iron and nickel, yttrium oxide particles Y₂O₃ are the most stable. The technology of increasing the mechanical properties of metallic materials by introducing dispersed particles into a liquid melt during casting using a centrifugal casting machine is considered, and the directions of developing the most effective technology for creating metallic materials based on iron or nickel dispersion-hardened yttrium oxide are indicated.

Ключевые слова: механическое легирование; оксид иттрия; ферритные и аустенитные стали; центробежное литье.

Keywords: mechanical alloying; yttrium oxide; ferritic and austenitic steels; centrifugal casting.

Одной из важнейших задач, стоящих перед металлургией и машиностроением, является разработка и внедрение новых металлосберегающих технологий, которые могли бы служить основой получения новых металлических материалов с улучшенными функциональными свойствами. В этом плане, несомненно большой интерес представляют литейные технологии, которые благодаря своей простоте реализации и возможности получения изделий близкого к конечной продукции позволяют существенно снизить затраты на последующую металлообработку [1, 2].

В последние годы особую актуальность  приобретают работы по созданию принципиально новых материалов, в которых искусственно объединены высокопластичные металлические матрицы и тугоплавкие высокопрочные, высокомодульные наполнители [3-5]. При таком сочетании фаз достигается значительное повышение несущих способностей улучшенного таким образом материала, высокая износостойкость и задиростойкость, стойкость против абразивного изнашивания, и даже воздействию различного излучения.  Армирующие наполнители с резко отличной от основной матрицы твёрдостью не только повышают износостойкость металлических материалов, но и выполняют роль поддерживающих опор, могут существенно снизить потери на трение и расширить диапазон нагружения [6]. В тоже время, для ряда сталей [7], движение дислокаций тормозится введением в металлическую матрицу дисперсных термодинамически стабильных в матрице неметаллических (керамических) частиц, а, как известно, движение дислокаций аналогично движению вакансий. По данным работы [8] в железной и никелевой матрице наиболее стабильными являются частицы оксида иттрия – Y₂O₃.

Получение мелкодисперсной оксидной фазы в металле традиционными методами, а главное её равномерное распределение, не представляется возможным. При традиционной схеме «жидкий металл – слиток» при введении иттрия в жидкий расплав с содержанием кислорода 0,08-0,1 % включения Y₂O₃   будут образовываться в жидком металле и иметь размеры от нескольких до десятков микрометров, что является неприемлемым. Не решает эту проблему и традиционные технологии порошковой металлургии, когда оксидные дисперсоиды смешиваются с порошками металлов и полученная смесь компактируется и спекается. При этом сохраняется исходный размер оксидных частиц и те ограничения, которые несет в себе порошковая металлургия (трудность изготовления заготовок больших размеров, большое количество используемого порошка при его высокой стоимости, использования специального оборудования с контролируемой атмосферой и др.) [9-11].

Сегодня проблема решается только с переходом на метод – технология механического легирования (МЛ). Технология МЛ была хорошо описана в работе [12]. При МЛ, технология предполагает, что смесь порошков различных металлов подвергается совместному высокоэнергетическому помолу с преобладающим механизмом трения. В процессе такого помола происходит измельчение частиц порошка (вплоть до нанокластерного размера) и взаимная твердофазная диффузия металлов друг в друга. В нанокласстерах термодинамически наиболее выгодным соединением становится твердый раствор, в который переходят имевшиеся в металле соединения типа интерметаллидов, силицидов и карбидов [13]. При последующем нагреве скомпактированных порошков эти соединения выпадают из раствора в виде наноразмерных частиц (преципитатов).

В работе [14] было установлено, что МЛ в твердом металле может растворяться и такой термодинамически прочный оксид, как Y₂O₃ с последующим выделением его нанокластерных преципитатов. При этом возможно укрупнение (коалисценция) нанопреципитатов в результате растворения мелких частиц и роста более крупных, что в конечном итоге сводит на нет все достоинства технологии МЛ.

В тоже время, опробована технология повышения механических свойств металлических материалов за счёт введения дисперсных частиц в жидкий расплав при разливке с использованием машины центробежного литья [15-17]. Данная технология, при достаточной простоте её реализации позволяет получать стабильные результаты с использованием карбида титана, карбида вольфрама, карбида кремния, а также используя дисперсные частицы различной плотности получать градиентные материалы. Оксид иттрия обладает плотностью близкой к плотности металлических материалов на основе железа 5,046 г/см³. Следовательно, при реализации технологической схемы  представленной в работе [15] оксид иттрия должен находиться на внешней (рабочей) стороне цилиндрической отливки. При небольшой толщине стенки заготовки, возможно, его распределение и на внутренней поверхности.

Усилить эффект от введения дисперсных частиц (более высокие значения механических свойств, более 300 МПа при 970 К, более высокая радиационная стойкость к нейтронному облучению, более высокая сопротивляемость коррозии по отношению к теплоносителям, при повышенных температурах) возможно при использовании дополнительной внутренней механической раскатки, т.е. термомеханическое упрочнение. Это подтверждают работы  [18,19] по проведению глубокой пластической деформации: в ходе экспериментальных исследований получены прутки стали из стали 08Х18Н10Т с размером зерна 300-600 нм, при этом механические свойства и микротвердость стали увеличиваются более чем в 2 раза по сравнению с исходными значениями.  

С целью разработки наиболее эффективной технологии создания металлических материалов на основе железной или никелевой матрице дисперсно-упрочненных оксидом иттрия необходимо создание сквозных технологических схем и инновационных технологий, включающих в себя как литейные технологии с введением упрочняющей фазы, так и термомеханическое теоретически упрочнение. Для чего необходимо экспериментально изучить влияние различных параметров (температуры, концентрации, скорости разливки и вращения печи, усилия раскатки, режимы термической обработки и др.) на ход процесса и его результаты. Для термодинамического моделирования высокотемпературных процессов  происходящих в систему оксид иттрия – металлическая матрица (расплав), и температур рекристаллизации целесообразно использован программный комплекс «FactSage» [20].

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы (соглашение № 05.608.21.0276 от 4.12.2019 г.) (уникальный идентификатор RFMEFI60819X0276).