СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.24-27-28-849:620.186
КУБИЧЕСКАЯ ТЕКСТУРА РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛЕНТ-ПОДЛОЖЕК ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ТУГОПЛАВКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ W, Mo, Re
© 2012 г. Д. П. Родионов*, И. В. Гервасьева*, Ю. В. Хлебникова*, В. А. Казанцев*, В. А. Сазонова*, Л. Ю. Егорова*, Р. И. Гуляева**
* Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 ** Институт металлургии УрО РАН, 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 e-mail: Yulia_Kh@imp.uran.ru Поступила в редакцию 16.04.2012 г.
Изучены процессы формирования текстуры деформации и рекристаллизации в никелевых сплавах с W, Mo и Re. Рассмотрены вопросы оптимизации режимов рекристаллизационного отжига, что связано с повышением температуры начала первичной рекристаллизации в сплавах никеля с тугоплавкими металлами после деформации прокаткой с большими степенями. Проведен анализ механических и магнитных свойств всех сплавов. Исследована склонность сплавов Ni^ 3Mo4 7, Ni95 2W4.8, Ni95.9Re4.i и Ni95 2Re4.8 к окислению методом термогравиметрии. Установлено, что из всех исследованных сплавов сплав Ni95 3Mo4 7 обладает наилучшими антикоррозионными свойствами при повышенных температурах (600—700°С) и наименьшей удельной намагниченностью при рабочих температурах высокотемпературного сверхпроводника.
Ключевые слова: никелевые сплавы, холодная деформация прокаткой, рекристаллизационный отжиг, совершенная кубическая текстура, окисляемость.
ВВЕДЕНИЕ
Основной характеристикой ленточных многослойных высокотемпературных сверхпроводников является значение критического тока, которое в значительной степени зависит от остроты кристаллографической текстуры в материале сверхпроводника, наследуемой от кубической текстуры металлической подложки. Другим фактором, влияющим на величину критического тока, является магнитное состояние материала подложки. Чем меньше магнитная проницаемость подложки, тем больше критический ток. Кроме того, для производства длинных лент в промышленности необходимо иметь достаточно высокие прочностные свойства несущей металлической ленты.
Использование никелевых сплавов, легированных тугоплавкими элементами У1В и У11В групп Периодической системы при создании металлических подложек с кубической текстурой, направлено в первую очередь, на повышение механических свойств тонкой ленты-подложки.
Упрочнение никелевых сплавов исследовали на основании сведений об изменении периода кристаллической решетки сплавов при легировании [1, 2]. Степень упрочнения твердого раствора зависит от разницы атомных радиусов никеля и легирующего элемента и изменения модуля сдвига никелевого сплава [3]. Показано, что для одно-
го и того же металла-растворителя переход от текстуры деформации типа "меди" к текстуре деформации типа "а-латуни" наблюдается при тем меньших концентрациях легирующего элемента, чем больше несоответствие атома растворенного вещества и растворителя, в нашем случае — никеля [2, 4].
Исследования текстуры и величины концентрационного расширения решетки при легировании никеля Та, Nb, W, Mo, Re, V и Cr показали, что существует условная граница параметра решетки сплава, ниже которой сохраняется текстура деформации типа "меди", а при последующем рекристаллизационном отжиге реализуется кубическая текстура. Анализируя изменение параметра решетки никелевого сплава, можно заключить, что тантал и ниобий не являются перспективными легирующими добавками из-за их экстремального влияния на изменение периода кристаллической решетки [1, 2]. Добавление 1.5—2.0 ат. % Та и Nb уже приводят к нежелательному текстурному переходу. Период кристаллической решетки никелевого сплава при добавлении W, Mo и Re изменяется примерно одинаковыми темпами [2]. Это позволяет предположить, что концентрационная граница легирования, позволяющая получить в сплаве желаемую текстуру деформации, для двойных сплавов Ni—Me (где Me=W, Mo, Re)
Химический состав, степень деформации, параметр решетки, предел текучести при 20°С и температура начала рекристаллизации исследованных сплавов
№ сплава Состав сплава, вес. % Состав сплава, ат. % Степень деформации, % Толщина ленты, мкм Параметр решетки, А МПа Температура начала рекристаллизации, °С
1 N1-13.7 W N195^4.8 98.7 90 3.5439 176 690
2 N1-5.1 Мо №%.8Мо3.2 98.4 100 3.5365 108 645
3 N1-7.5 Мо №95 3Мо47 98.1 100 3.5431 158 660
4 N1-11.8 Яе №95.9Яе41 98.6 75 3.5372 140 698
5 N1-14.7 Яе №95.2Яе4.8 98.8 100 3.5428 185 715
должна быть близка. Ленты из сплавов с вольфрамом хорошо изучены и в настоящее время сплав N1—5 ат. % W получил широкое практическое применение в эпитаксиальных подложках для ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. В работе проводится исследование возможности получения совершенной кубической текстуры в лентах из сплавов №-Мо и №-Яе, содержащих около 5 ат. % легирующего элемента. Проводится сравнительный анализ текстурных, механических и магнитных характеристик лент из сплавов N1— Мо и N1— Яе с аналогичными характеристиками лент из изученного нами ранее сплава N1—4.8 ат. % Ш
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплавы никеля с тугоплавкими металлами ^ Мо и Яе были выплавлены в алундовых тиглях в атмосфере аргона в индукционной печи. Для сплава Ni—W был использован переплавленный в вакууме никель чистотой 99.93%. Для сплавов №-Мо и №-Яе был использован электролитический никель чистотой 99.99%. Легирующие элементы имели чистоту не менее 99.94%. Во всех выплавленных сплавах содержание легирующего элемента в атомных % было близким. Химический состав сплавов в весовых и атомных % представлен в таблице 1. После горячей ковки слитков 1000—800°С были получены прутки сечением 10 х 10 мм. После шлифовки и отжига в вакууме (2—3) х 10-5 мм рт. ст. при температуре 850°С в течение 1.5 ч из прутков были получены заготовки прямоугольного сечения. На всех сплавах после отжига контролировали среднюю величину зерна в заготовке перед холодной деформацией.
Холодную деформацию заготовок с высокими степенями обжатия осуществляли на двухвалковом прокатном стане до толщины 100—75 мкм и числом проходов 40—50. Степень холодной деформации составляла более 98%. Из прокатанных лент вырезались образцы шириной 10 мм различной длины от 150 до 450 мм.
Рекристаллизационные отжиги для получения кубической текстуры проводили в вакуумной печи (2—3 х 10-5 мм рт. ст.) при температуре 1000 или 1100°С в течение 1 ч. Нагрев осуществляли посадкой ленточных образцов в печь, нагретую до требуемой температуры, охлаждение образцов после отжига — вне печного пространства. Кроме того, использовали отжиг образцов с медленным нагревом: посадка образцов в нагретую до 700°С печь, дальнейший нагрев со скоростью 2 град/мин (~100 град/ч) до 1000°С, выдержка 1 ч, далее охлаждение образцов вне печного пространства [5].
Кинетику рекристаллизации деформированных лент на продольных и поперечных образцах исследовали на кварцевом дилатометре Шуае-Ш-ко в интервале температур от 20 до 850°С со скоростью нагрева 2 град/мин.
Рассеяние кубической текстуры в двух взаимно перпендикулярных направлениях определяли на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 методом качания вокруг поперечного направления (ПН) или направления прокатки (НП) по полуширине (ПШПВ) линии {200} в Со^а1-излучении. В случае качания вокруг ПН получали рассеяние вдоль ленты, а в случае качания вокруг НП — поперек ленты.
Ориентацию зерен на поверхности текстуро-ванного сплава определяли методом дифракции обратно отраженных электронов (EBSD) на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200. Область формирования дифракционной картины составляла около 50 нм. Картины распределения ориентации зерен снимали с шагом 4 мкм с поверхности площадью 2700 х 900 мкм.
Измерения магнитных свойств образцов были выполнены на вибрационном магнитометре (ВМ) лаборатории нейтронных исследований вещества ИФМ УрО РАН. Измерения магнитного момента образцов проводили в интервале температур 80—700 К и магнитных полях напряженностью до 8.8 х 105 А/м (~11 кЭ). Погрешность измерений от образца к образцу не превышала 2%.
В качестве образцов для металлографического исследования использовали ленту непосредственно после прокатки в полированных валках и рекристаллизационных отжигов. Для исследования микроструктуры в оптическом микроскопе "Neophot-30" образцы травили в смеси концентрированных кислот HNO3, HCl и H3PO4 в равных долях с добавлением 30—40% Н2О2. Среднюю величину исходного зерна вычисляли по структуре заготовок сплавов после отжига при температуре 850°С в течение 1.5 ч. Среднее значение получали путем усреднения результата от измерения как минимум 80 зерен. Во всех заготовках средний размер зерна перед прокаткой не превышал 40 мкм, кроме сплава Ni95.9Re41, в котором размер зерна составлял ~60 мкм.
Механические свойства текстурованной ленты, отожженной при 1000°С в течение 1 ч, определяли при испытаниях на растяжение образцов длиной 200 мм, шириной 10 мм и толщиной 80 или 100 мкм.
Термогравиметрические исследования по склонности Ni—W, Ni—Mo и Ni—Re сплавов к окислению проводили в воздушной среде. Использовали прибор NETZSCH STA 449C Jupiter для совмещенных термогравиметрического (ТГ) и термического анализов (ДТА). Опыты проводились при нагреве до 700°С со скоростью 40 град/мин в потоке воздуха (40 мл/мин) с использованием предварительно прокаленных тиглей из Al2O3. При 700°С проведена изотермическая выдержка продолжительностью 245 мин. Увеличение веса исчисляли в % от исходного веса на единицу площади образца (1 см2).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Концентрационное расширение решетки для сплавов Ni—W, Ni—Mo и Ni—Re проиллюстрировано на рис. 1. Можно убедиться, что изменение параметра решетки при легировании никеля W, Mo и Re различается не столь значительно и происходит в достаточно узкой области концентраций, существенно меньшей, чем, например, для V, Cr, Mn и Al [2].
Концентрационное упрочнение исследуемых никелевых сплавов без значения модуля сдвига установить невозможно. Для описания концентрационного упрочнения обычно используют безразмерный коэффициент K = (dxS/dCe )G [1]. Коэффици
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.