Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


АРГОНОДУГОВАЯ НАПЛАВКА ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Fe.Al С ПОДАЧЕЙ РАЗНОРОДНЫХ ПРОВОЛОК НА ОСНОВЕ Fe и А1

Работа №76998

Тип работы

Бакалаврская работа

Предмет

металлургия

Объем работы78
Год сдачи2020
Стоимость48330 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
117
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Введение
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 7
1.1 Общая характеристика железа 7
1.2 Общая характеристика алюминия 10
1.3 Диаграмма состояния Fe-Al 14
1.4 Свойства интерметаллических фаз системы Fe-Al 20
1.4.1 Механические свойства 22
1.4.2 Электрические и магнитные свойства 28
1.4.3 Стойкость к коррозии и влияние различных сред 28
1.5 Влияние легирующих элементов на свойства Fe3Al 34
ВЫВОДЫ ПО ТЕОРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ 41
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 43
2.1 Методика проведения эксперимента 43
2.2 Используемое в работе оборудование 44
2.3 Условия и режимы экспериментальных наплавок 50
2.4 Анализ полученного образца многослойной наплавки 55
2.4.1 Твёрдость 57
2.4.2 Микроструктура 58
2.4.3 Химический и фазовый состав 63
ВЫВОДЫ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Железо (Fe), алюминий (Al) и сплавы на их основе – уже классические
металлы, давно используемые человечеством. Данные металлы являются самыми распространёнными в земной коре. Кларк алюминия составляет около
7,45%, а железа – около 4,2%. Исходя из этого, применение этих металлов будет актуально ещё достаточно длительное время. Железо существенно отличается от алюминия по своим физико-химическим свойствам. Благодаря этому
возможно существование множества групп материалов, имеющих оптимальное сочетание свойств данной пары металлов и их сплавов. Примерами таких
групп материалов являются, прежде всего, композиционные материалы с алюминиевой матрицей и волокнами из стали и биметаллы со стальной основой и
алюминиевым покрытием, а также сплавы на основе интерметаллических фаз
системы Fe-Al.
Железоалюминиевые сплавы являются интересным модельным материалом, так как они склонны к образованию упорядоченных сверхструктур в
определённых температурно-концентрационных областях [1], а также потому,
что могут сочетать в себе высокие эксплуатационные свойства, такие как:
прочность, твёрдость, жаростойкость, стойкость к абразивному изнашиванию,
стойкость в агрессивных средах, содержащих серу, хлор, углерод и др. В данной работе основным объектом исследования являются сплавы на основе интерметаллида Fe3Al.
Исследования структуры и свойств сплавов на основе интерметаллида
Fe3Al ведутся более 50 лет [2]. В соответствии с общепринятой классификацией, сплав Fe3Al относят к интерметаллидам [3], в частности, к соединениям
Курнакова – упорядоченным сверхструктурам [4]. Интерметаллид Fe3Al имеет
стехиометрический состав 75% Fe - 25% Al (ат.) и структуру, упорядоченную
по типу D03 в равновесном состоянии при комнатной температуре. Под сплавами на основе интерметаллида Fe3Al следует понимать сплавы системы Fe6
Al с D03 упорядоченной структурой, по составу близкие к стехиометрическому
(25% ат. Al) [2].
Сплавы на основе интерметаллида Fe3Al являются одними из наиболее
применяемых в промышленности сплавов системы Fe-Al. Например, данные
сплавы применяются в качестве материала для изготовления лопаток газовых
турбин авиадвигателей и производства дисков регенераторов автомобильных
газотурбинных систем; как заменители нержавеющей стали в системе выхлопа
[5, 6]; в качестве магнитострикционного материала в сердечниках магнитомеханических преобразователей ультразвуковой техники [7]; для изготовления
деталей печей, горнодобывающего оборудования и др. Также встречаются
упоминания о том, что такие сплавы образуют класс относительно лёгких конструкционных недорогостоящих материалов, предназначенных для работы
при температурах до 680 °С [8].
Помимо упомянутого, также имеются данные о том, что сплавы на основе интерметаллида Fe3Al обладают привлекательными характеристиками,
такими как: хорошая стойкость к окислению, высокая стойкость к действию
карбонизирующих или серо- и хлорсодержащих сред, жаропрочность, лёгкий
вес и преимущество в стоимости по сравнению с обычными высокотемпературными материалами [13]. Применение таких сплавов позволит повысить
срок службы различных элементов механизмов, работающих в условиях повышенного износа, сократить расход дорогостоящих и дефицитных материалов, расширить номенклатуру выпускаемых изделий, а также снизить их массу
и себестоимость.
В связи с привлекательностью практического применения сплавов системы Fe-Al целью работы является получение опытного образца наплавки,
являющейся сплавом на основе интерметаллида Fe3Al, особенностью которой
является одновременная подача в зону горения электрической дуги двух разнородных проволок на основе железа и алюминия, а также последующий анализ полученного образца наплавки.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании студенческих
и аспирантских работ!


Сплавы на основе интерметаллида Fe3Al могут выступать в роли заменителей некоторых нержавеющих сталей. Такое решение может быть крайне
практичным при отсутствии возможности введения дорогостоящих легирующих элементов в состав стали.
Эксплуатационные характеристики нелегированных сплавов на основе
интерметаллида Fe3Al, все же, являются несколько худшими в сравнении с нержавеющими сталями. Однако, данный недостаток может быть компенсирован более низкой стоимостью и доступностью сварочных материалов на основе железа и алюминия там, где пониженные эксплуатационные показатели
допустимы. А в случае недопустимого снижения эксплуатационных характеристик, недостатки сплавов на основе интерметаллида Fe3Al могу быть компенсированы дополнительным легированием такими элементами как: хром
(Cr) и кремний (Si).
Ограничивающими факторами при производстве и эксплуатации данных сплавов связаны с низкой пластичностью интерметаллида Fe3Al при комнатных температурах (δ < 4%) [9] и нестабильностью структуры при повышенных температурах. Также ограничивающими факторами могут выступать: недостаточное сопротивление окислению, ненадёжность методов предсказания
длительности эксплуатации изделий из интерметаллидов.
Пластичность интерметаллида Fe3Al можно повысить посредством дополнительного легирования, например хромом, и/или измельчением размеров
зерна [10, 11]. Одним из методов измельчения зерна является интенсивная пластическая деформация [12].
Нестабильность структуры при повышенных температурах связана с изменением физических и механических свойств интерметаллида Fe3Al при фазовом превращении D03 – B2, проходящей при температуре ≈ 550 °С для двух71
компонентной системы (Fe-Al). Повысить стабильность D03 структуры и температуру фазового перехода возможно путём частичной замены Al на Si в интерметаллиде [1] и другими элементами.
В текущей работе была успешно получена многослойная наплавка с применением технологии механизированной одновременной подачи в зону горения электрической дуги неплавящегося вольфрамового электрода двух разнородных проволок сплошного сечения на основе железа (Св-08Г2С) и алюминия (АК12).
Качественно-количественный химический и полуколичественный фазовый анализы, а также измерения твёрдости полученной наплавки свидетельствуют о получении искомого сплава на основе интерметаллида Fe3Al.
Однако, визуальный анализ микрошлифов свидетельствует о серьёзных
дефектах в виде многочисленных трещин. Помимо этого, по данным результатов элементного анализа различных областей микрошлифов, имеется достаточно сильная анизотропия химического состава по всему наплавленному объёму, что даёт веский повод к дальнейшей работе над совершенствованием технологии процесса, а также совершенствованием режимов и условий его проведения.
Таким образом, поставленная цель текущей работы была достигнута, а
все сопутствующие задачи успешно решены.


1. Глазер А.М., Молотилов Б.В. упорядочение и деформация сплавов же¬леза. - М.: металлургия, 1984, 168 с.
2. Павлова Т.С. Неупругость сплавов на основе интеметаллида Fe3Al : дис. канд. тех. наук : защищена 19.05.2008 / Т.С. Павлова. - Тула, 2008. - 130 с.
3. Intermetallic compounds. Principles and practice. Eds. Westbrook J.H., Fleisher R.L. N.Y. John Wiley and Sons, 1995.
4. Упорядочение атомов и свойства сплавов / Под ред. Смирнова А.А. Киев: Наукова думка, 1979, 372 с.
5. Processing, properties and applications of iron aluminides. Eds.: Schneibel
J. H., Crimp M.A. TMS Publication, Warrendale, 1994.
6. Deevi C., Morris D.G., Sikka V.K., Schneibel J.H. Iron aluminides: alloy design, processing, properties and applications // Mater. Sci. Eng., v. A208, 1998.
7. Кекало И.Б., Веденский В.Ю., Нуждин Г.А. Магнитострикционный сплав состава Fe-12 % Al // В кн.: «Микрокристаллические магнитоно-мягкие материалы». - Москва, 1999, 167 с.
8. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и про¬мышленных энергоустановок / Под. ред. Симса Ч.Т. и др.: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 2. / Под ред. Шалина Р. Е. - М.: Металлургия, 1995, 384 с.
9. Sikka V.K., Viswanathan S., McKaamey C.G. Development and commer¬cialization status of Fe3Al - based intermetallic alloys // Struct. IntermetallicA Cham¬pion, 1993, p. 26 - 30.
10. Гудремон Э. Специальные стали. - М.: Г ос. науч. - техн. изд - во лит. По чёр. и цв. металлургии, 1960. Т. 1 и 2. - 1638.
11. McKamey C.G., Horton J.A., Liu C.T. Effect of chromium on room tem¬perature ductility and fracture mode in Fe3Al // Scr. Metal., 1988, v. 22, p. 1679¬1681.
12. Valiev R.Z., Estrin Y., Horita Z. Producing bulk ultrafine-grained materi¬als by severe plastic deformation // JOM, 2006, p. 33 - 39.
13. C.T. Liu, E.P. George, P.J. Maziasz, J.H. Schneibel, Mater. Sci. Eng. A258 (1998) 84.
14. Гуляев А. П. - Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
15. Рябов В. Р. - Сварка плавлением алюминия со сталью. Под ред. Фу¬рер П. Я. Издательство «Наукова думка», Киев, 1969. 232 с.
16. Рябов В. Р. - Сварка алюминия и его сплавов с другими металлами. Киев.: «Наукова думка», 1983. 264 с.
17. ГОСТ 11069-2001 Алюминий первичный. Марки.
18. Кубашевски О. - Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Пер. с англ./ Под ред. Л. А. Петровой. М.: Металлургия, 1985. 184 с.
19. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на ос¬нове железа: Справочник/ Под ред. О. А. Банных, М. Е. Дрица. М.: Металлур¬гия, 1986. 440 с.
20. Никифоров Г. Д. и др. - Сварочное производство. 1967, 12.
21. Рыкалин Н. Н., Шоршоров М. Х., Красулин Ю. Л. - Неорганические материалы. 1965. 1, 1.
22. Шоршоров М. Х. - В кн.: Общественный университет при ЦПНТО Машпром. Профиздат, М., 1960.
23. Уманский Я. С. и др. Физическое металловедение. Металлургиздат, М., 1955.
24. Пинес Б. Я. - Физика твёрдого тела, 1959. 1, 3.
25. Мовчан Б. А. Микроскопическая неоднородность в литых сплавах. Госте-хиздат УССР, К., 1962.
26. Агеев Н. В. Природа химической связи в металлических сплавах. Изд-во АН СССР, М., 1947.
27. Корнилов И. И. и др. Металлохимические свойства элементов пери¬одической системы. «Наука», М., 1966.
28. Горбунов Н. С. Методы нанесения диффузионных покрытий на же¬лезо и сталь. Изд-во ВИНИТИ, М., 1957.
29. Okamoto H., Beck P.A. Phase relationships in the iron-rich Fe-Al alloys // Met. Trans., v. 2, 1971, p. 569-574.
30. Warlimont H. // Z. Metallk., 1969, v. 60, p. 195.
31. Власов Е.Н. Доменная структура и ближний порядок в сплавах Fe-Al с большим содержанием алюминия // ФММ, 1968, т. 26, с. 500-502.
32. Thomas H. // Z. Metallkunde, 1950, v. 41, p. 185.
33. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твёрдых растворов. - М.: Наука, 1974. 384 с.
34. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статическая физика. - М.: Наука, 1976,
ч.1, т.5.
35. Рябов В. Р. - Алитированые стали. М.: Металлургия, 1973. 240 с.
36. Hehenkamp Th., Scholz P., Kohler B., Kerl R. Vacancy formation and diffu-sion in Fe-Al alloys. Defect and Diffusion Forum, 2001, v. 194-199, p. 389¬394.
37. Рябов В. Р. - Применение биметаллических и армированных сталеа¬люминиевых соединений. М.: Металлургия, 1975. 288 с.
38. Рябов В. Р. - Современное состояние и перспективы развития сварки раз-нородных металлов. Киев: О-во «Знание» УССР, 1979. 22 с.
39. Вестбрук Д. Х. - Механические свойства металлических соединений. Ме-таллург издат, 1962.
40. C. Shen, Z. Pan, Y. Ma, D. Cuiuri, H. Li, Fabrication of iron-rich Fe-Al inter- metallics using the wire-arc additive manufacturing process, Addit. Manuf. 7 (2015).
41. C. Shen, Z. Pan, Y. Ma, D. Cuiuri, H. Li, In-depth study of the mechanical properties for FeAl based iron aluminide fabricated using the wire-arc additive manufacturing process, Addit. Manuf. 7 (2016).
42. Jin-Hwa Song, Tae KwonHa, Young Won Cyang. Anomalous tempera¬ture dependence of flow stress in a Fe3Al alloy // Scr. Mater., 2000, v. 42, p. 271 - 276.
43. Brinck A., Neuhauser H. On the temperature dependence of the yield stress in Fe3Al single crystals in the range of 300 to 500 K // Intermetallics, 2000, v. 8, p. 1019 - 1024.
44. Kettner U., Rehfeld H., Engelke C., Neuhauser H. A comparison of the plastic behavior of the Fe3Al and Fe3Si in the temperature range of 300-973 K // Intemetallics, 1999, v. 7, p. 405-414.
45. Колачев В.И. Металловедение и термическая обработка цветных ме¬таллов и сплавов / Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. - М.: МИСИС, 1999, 416 с.
46. C.T. Liu, C.G. McKamey, E.H. Lee, Scripta Metall. 24 _1990. 385.
47. C.T. Liu, in: I. Baker, R. Darolia, J.D. Whittenberger, M.H. Yoo _Eds,., High Temperature Ordered Intermetallic Alloys V, MRS. Symp. Proc. 288, MRS. Warrendale, PA, 1993, p. 3.
48. N.S. Stoloff, in: N.S. Stoloff, V.K. Sikka _Eds.., Physical Metallurgy and Pro-cessing of Intermetallic Compounds, Chapman and Hall, New York, 1996, p. 479.
49. R.S. Buchanan, J.G. Kim, R.E. Ricker, L.A. Heldt, in: N.S. Stoloff, V.K. Sikka _Eds.., Physical Metallurgy and Processing of Intermetallic Compounds, Chapman and Hall, 1996, p. 517.
50. V.K. Sikka, in: S.C. Deevi, V.K. Sikka, P.J. Maziasz, R.W. Cahn _Eds.., International Symposium on Nickel and Iron Aluminides, ASM International, Ma¬terials Park, OH, 1997, p. 361.
51. Ковтунов А.И. Физико-химическая кинетика взаимодействия алюми¬ния со сталью при формировании металла шва с заданными свойствами : дис. д-ра. техн. наук : защищена / А.И. Ковтунов. - Тольятти, 2011. - 357 с.
52. D. Lin, in: S.C. Deevi, V.K. Sikka, P.J. Maziasz, R.W. Cahn (Eds.), In- terna-tional Symposium on Nickel and Iron Aluminides, ASM International, Materi- las Park, OH, 1997, p. 187.
53. N.S. Stoloff, Iron Steel Inst. J. Japan 37 _1997. 1197.
54. M.L. Santella, in: S.C. Deevi, V.K. Sikka, P.J. Maziasz, R.W. Chan (Eds.), ASM International, Materials Park, OH, 1997, p. 321.
55. S.A. David, M.L. Santella, in: N.S. Stoloff, V.K. Sikka (Eds.), Physical Metal-lurgy and Processing of Intermetallic Compounds, Chapman and Hall, New York, 1996, p. 655.
56. R.A. Buchanan, J.G. Kim, Proceedings of the Sixth Annual Conference On Fossil Energy Materials, Oak Ridge Natl. Lab., 1992, p. 315.
57. K. Natesan, P.F. Tortorelli, in: S.C. Deevi, V.K. Sikka, P.J. Maziasz, R.W. Cahn (Eds.), International Symposium on Nickel and Iron Aluminides, ASM Inter¬national, Materials Park, OH, 1997, p. 265.
58. Microstructure and corrosion resistance of Fe-Al intermetallic coating on 45 steel synthesized by double glow plasma surface alloying technology ZHU Xiao- lin, YAO Zheng-jun, GU Xue-dong, CONG Wei, ZHANG Ping-ze // Col-lege of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astro¬nautics, Nanjing 210016, China 210016 Received 15 Februrary 2008; accepted 2 July 2008.
59. Wang W.J., Lin J.P., Wang Y.L., Chen G.L. The corrosion of intermetallic al-loys in liquid zinc // Journal of Alloys and Compounds, 2007. V. 428. No 1, 2. p. 237-243.
60. Stoloff N.S. (1998) Iron aluminides: present status and future prospects. Mater. Sci. Eng., A, 258, 1-14.
61. Sun Z., Huang Y., Yang W. et al. Proc. Conf. High temperature properties of iron based aluminidies. TMS, San Francisco, USA, 1994.
62. Sun Z., Yang W., Shen L., Huang Y., Zhang B., Yang J. Neutron diffrac¬tion study on site occupation of substitutional elements at sub lattices in Fe3Al in- termetallics // Mater. Sci. Eng., 1998, v. A258, p. 69-74.
63. Kral F., Schewander P., Kostors G. Superdislocations and antiphase boundary energies in deformed Fe3Al single crystals with chromium // Acta Mater., 1997, v. 45, № 2, p. 675-682.
64. Bulycheva Z.N., Tolochko M.N., Svezhova S.I., Kondrat’ev V.K. Ukrain. Fiz. Zhur., 1969, v. 14, p. 1706-1708, цитировано по: Lange J.H. Mikrostrukturelleursachen fur das mechanische verhalten von FeCrAl-legierungen. Dissertation. 1998, Universitat Karlsruhe. 198 p.
65. Raghavan V. Al-Fe-Si (Aluminum-Iron-Silicon) // J. Phase Equilibria, 1994, v. 15, p. 42-50.
66. Grosh G., In: G. Petzow, G. Effenberg (Eds.) Temary alloys, vol. 5, Wein¬heim: VCH, 1992, p.394.
67. Полищук В.Е., Селисский Я.П. Высокотемпературное рентгеновское ис-следование сплавов системы железо-кремний // ФММ, 1973, т. 14, с. 1722¬1744.
68. Кацнельсон А.А., Полищук В.Е. Энергетические характеристики атомного упорядочения в сплавах железа с алюминием и кремнием // ФММ, 1973, т. 36, с. 321-325.
69. Дриц М.Е. Диаграммы состояния систем на основе алюминия и маг¬ния: справочник / М.Е. Дриц, Н.Р. Бочвар, Э.С. Кандер и др. ; под ред. Н.А. Абрикосова. - М: Наука, 1977. - 226 с.
70. Experimental Determination and Thermodynamic Calculation of Phase Equi-libria in the Fe-Mn-Al System / R. Umino at all. // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. - 2006. - Vol. 27, № 1. - P. 54-62.
71. RS010N Robot [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://robot- ics.kawasaki. com/en1/products/robots/small-medium-payloads/RS010N/ (дата об¬ращения 20.04.2020).
72. MagicWave 5000 [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://svarshov.ru/fronius/1217-magicwave-5000.html (дата обращения
20.04.2020).
73. ГОСТ 10157-2016 Аргон газообразный и жидкий. Технические усло¬вия (с Поправкой).
74. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия [Электронный ре-сурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Энергодисперсион- ная_рентгеновская_спектроскопя (дата обращения 20.05.2020).


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




© 2008-2022 Cервис помощи студентам в выполнении работ