Введение к работе
Актуальность темы. Успехи современной техники в значительной степени обусловлены созданием и применением металлических материалов, обладающих необходимыми служебными свойствами. Одним из перспективных направлений является создание сплавов, содержащих интерметаллидные фазы. Примером являются суперсплавы на основе смеси у'- и у-фаз, в которых у-фаза представляет собой неупорядоченный ГНК-твердый раствор на основе, в частности, никеля и алюминия, а у'- фаза (в этом случае фаза МзА1) - упорядоченную фазу со сверхструктурой Ы2. В настоящее время суперсплавы создаются и на основе сплава никеля и алюминия, легированного различными тугоплавкими элементами. В таких суперсплавах у'-фаза является основной. По этой причине она во многом ответственна за формирование свойств суперсплава. По мере развития и разработки суперсплавов доля у-фазы в суперсплаве уменьшалась, а доля у'-фазы увеличивалась (до 90% и более). В реальных суперсплавах на никелевой основе, состав которых является многокомпонентным, наряду с Ni и А1 имеются атомы других элементов, таких, как Ті, Cr, Со, Mo, W, Та, Nb, Hf. Создание суперсплавов, улучшение их механических характеристик при повышенных температурах и при низких одновременно, а также стабильность их свойств в условиях эксплуатации являются наивысшими достижениями в физике сплавов.
Фазовый состав и морфология у'-фазы многокомпонентных суперсплавов на основе Ni и А1 после различных высокотемпературных обработок исследованы недостаточно. Поскольку морфология у'-фазы может определяющим образом влиять на механические свойства суперсплава, представляется важным детальное изучение структуры различных суперсплавов с применением структурных методов исследования, позволяющих наряду с изучением фазового состава многокомпонентных суперсплавов исследовать детально морфологию у'-фазы. Поэтому актуальной задачей является проведение исследований структуры и фазового состава сплавов на основе Ni-Al-Cr-Ме и Ni-Al-Co-Me, в которых содержатся такие элементы, как Mo,W, Ті, Nb, Та, Hf (они обозначаются здесь индексом «Me»). В последние годы для легирования суперсплавов используются Re, Ru, La. Фазовый состав таких суперсплавов и локализация фаз, образующихся с этими элементами, изучены мало.
Степень разработанности темы. Основы применения суперсплавов на основе никеля в России заложил академик СТ. Кишкин. Большой вклад в исследования свойств и структуры таких сплавов внесли Б.Н. Каблов, И.Л. Светлов, Н.В. Петрушин, М.В. Приданцев, СБ. Масленков, В.П. Бунтушкин, КБ. Поварова. Зарубежные ученые СТ. Симе, Н.С Столофф, У.С. Хагел и др. в своих монографиях также рассматривали жаропрочные сплавы, в которых упрочняющей фазой является интерметаллид МзА1. Однако многие вопросы, касающиеся сложной морфологии у'- фазы, закономерностей изменения размеров частиц у'-фазы при различных термических обработках, процессы фазообразования в сплавах на основе Ni-Al, количественные оценки размеров, объемных долей вторичных фаз, места их локализации остаются малоизученными. В связи с этим все основные результаты в работе получены впервые и являются оригинальными.
Цель работы. Детальное исследование фазового состава, морфологии и размеров частиц фаз, их локализации и плотности распределения в зависимости от состава и термической обработки суперсплавов на основе Ni-Al-Cr-Me и Ni-Al-Co-Me.
В связи с целью работы были поставлены и решены следующие задачи исследования:
Идентификация фаз суперсплавов при различных режимах термической обработки.
Измерение объемных долей у-и у'-фаз (основных фаз) и проведение подобных измерений при обнаружении вторичных фаз.
Изучение распределения вторичных фаз в суперсплавах.
Детальное изучение параметров масштабных эффектов, реализующихся при формировании у'-фазы - основной фазы суперсплава.
Изучение влияния термических обработок на состояние дальнего атомного порядка как важной характеристики суперсплавов.
Изучение процессов фазовых превращений при дополнительном легировании базовых суперсплавов Re, Ru и La.
Научная новизна. Выявлены и детально изучены процессы фазообразования в сплавах на основе Ni-Al-Cr и Ni-Al-Co. Впервые проведены количественные оценки размеров, объемных долей вторичных фаз, места их локализации.
Теоретическая значимость исследования определяется тем, что в диссертационной работе сформулированы представления
о зависимости масштабных (структурных) уровней у'-фазы от параметров термообработки и легирующих элементов;
о процессах распада у'-фазы сплавов на основе Ni-Al-Cr и Ni-Al-Co.
В систематизированном виде представлена связь вторичных фаз, образующихся в сплаве, и концентрации рения.
Практическая значимость работы. Результаты исследования могут быть использованы в дальнейших исследованиях, посвященных созданию и усовершенствованию жаропрочных сплавов.
Методология и методы исследования. Основными методами исследования в работе являются метод дифракционной электронной микроскопии и метод растровой электронной микроскопии.
Положения, выносимые на защиту:
-
Классификация масштабных уровней у'-фазы в отожженных суперсплавах на основе Ni-Al-Cr и Ni-Al-Co. В составе суперсплава на основе Ni-Al-Cr присутствуют в виде кубоидов и квазикубоидов четыре масштабных уровня у'-фазы. Определены следующие масштабные уровни у'-фазы: у': -у'-фаза первого уровня (размер частиц фазы более 30 мкм), у'ц - у'-фаза второго уровня (около 4 мкм), у'ш - у'-фаза третьего уровня (100 нм) и y'IV - у'-фаза четвертого уровня (50 нм). Третий и четвертый масштабные уровни у'-фазы являются нанометрическими. В составе сплава на основе Ni-Al-Co присутствуют частицы у'-фазы только двух уровней: у': и у'п.
-
Закономерности влияния температуры отжига на объемную долю у'-фазы в сплавах на основе Ni-Al-Cr и Ni-Al-Co: при температуре отжига 1100С объемная доля у'-фазы убывает по мере продолжительности отжига; напротив, при температуре 1000С объемная доля у'-фазы увеличивается со временем выдержки. Это свидетель-
ствует о том, что критическая температура превращения порядок-беспорядок в исследуемых суперсплавах находится между 1000С и 1100С.
-
Закономерности превращений у'- фазы и у-фазы в ходе отжигов при 1100С суперсплава на основе Ni-Al-Cr: 1) у': —» у+у'ш, 2) у': —» у+у'ц, 3) у+у'ц —» у+у'р/И 4) у'п —» у. Двухфазная смесь (у+у'ц) после протекания второго, третьего и четвертого процессов, является основной фазово-морфологической составляющей суперсплава после отжига.
-
Результаты исследования влияния легирования Re на фазовый состав и объемные доли фаз в суперсплавах на основе Ni-Al-Cr и Ni-Al-Co. При отжиге сплавов, легированных рением, происходит процесс фазовой перекристаллизации. Образуются новые фазы: р, а, а2, а, алюминиды Re (Al6Re, Al12Re), 8-фаза и фаза Лавеса. Процесс фазовой перекристаллизации сопровождается уменьшением объемной доли у'-фазы и увеличением объемной доли у-фазы, то есть является процессом разупрочнения.
-
Результаты исследования влияния легирования La на фазовый состав суперсплава Ni-Al-Cr-Me. La подавляет образование у - фазы и вызывает формирование ОЦК -фазы - а2 и лантанидов Al2La, Ni3La2, La2C3. Карбид лантана (Ъа2Сз) в виде мелких частиц находится на дислокациях и упрочняет сплав. Частицы лантанидов (Al2La, Ni3La2) имеют форму пластин и могут тормозить сдвиг, одновременно способствуя образованию микротрещин.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность полученных результатов обусловлена применением количественных методов исследования при изучении структуры сплавов, основанных на современных методах исследования -просвечивающей дифракционной электронной микроскопии, растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.
Результаты исследований были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях: Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах», г.Сочи, 2003г., 2004г., 2005г.; Международной школе-семинаре, посвященной Году науки и культуры России в Казахстане «Физика конденсированного состояния», г.Усть-Каменогорск: ВКГУ, 2004г.; XIV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел РЭМ-2005, г.Черноголовка; Международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы MMS-2005», 2005г., Киев, Украина; XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» 2005г. - Вологда; XXI Российской конференции по электронной микроскопии РКЭМ-2006, 11-ом Международном симпозиуме «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», г.Сочи, 2008г.; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г.Томск, 2011г.; Международном симпозиуме «Упорядочение в металлах и сплавах», г.Сочи, 2006 - 2012гг.
