научная статья по теме РАЗМЕРНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ ПЕРИОДОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК - И -ФАЗ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Физика

Текст научной статьи на тему «РАЗМЕРНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ ПЕРИОДОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК - И -ФАЗ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 5, с. 512-519

УДК 669.245:548.313:539.26

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

РАЗМЕРНОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ ПЕРИОДОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК у- И у'-ФАЗ В МОНОКРИСТАЛЛАХ ЖАРОПРОЧНЫХ

НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

© 2008 г. Н. А. Протасова*, И. Л. Светлов**, М. Б. Бронфин**, Н. В. Петрушин**

*Казанский государственный технический университет им. АН. Туполева,

420111 Казань, ул. К. Маркса, 10

**ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"

105005 Москва, ул. Радио, 17

Поступила в редакцию 07.11.2007 г.; в окончательном варианте - 22.01.2008 г.

Методами рентгеновский дифрактометрии изучена трансформация профилей рентгеновских линий (222), (004), (003) и определены значения размерного несоответствия периодов кристаллических решеток у- и у-фаз (у/у-мисфит) для монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У, ЖС30, ЖС32, ВЖМ1, ВЖМ4 в литом состоянии и после термической обработки. Установлено, что с ростом величины у/у-мисфита увеличиваются тетрагональные искажения ГЦК-решетки у-твердого раствора. Для монокристаллов ВЖМ4, легированных рением и рутением, обнаружено расщепление сверхструктурного рефлекса упрочняющей у'-фазы. Выявленные структурные закономерности свидетельствуют о качественных изменениях в закономерностях перераспределения тугоплавких легирующих элементов между решетками у- и у-фаз, например, Мо в присутствии Яе и Яц.

РАСБ 61.72 Бё, 61.72.Nn

Размерное несоответствие периодов кристаллических решеток у/у'-фаз или у/у'-мисфит (А), является важнейшим структурно-фазовым параметром жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), связанным со степенью концентрационного твер-дорастворного упрочнения фаз, эффективностью дисперсионного упрочнения сплава, скоростью ползучести и другими высокотемпературными механическими свойствами монокристаллов [1, 2], что в конечном итоге определяет использование этих материалов в условиях длительной высокотемпературной эксплуатации. С этой точки зрения представляет интерес исследовать у/у'-мисфит в ЖНС разных поколений, включая перспективные сплавы, легированные рением и рутением.

По принятой международной классификации в ЖНС первого поколения используется традиционный легирующий комплекс, включающий такие элементы как Та, Мо, Сг, Со, Ш, А1, И В состав ЖНС второго и третьего поколений входит рений в количестве 2-6%. К четвертому поколению относят ренийсодержащие сплавы, дополнительно легированные рутением [3].

Легирующие элементы А1, Т1, Та, N5, Р1, Ш преимущественно растворяются в у'-фазе и поэтому их называют у'-образующими. Элементы V, Со, Сг, Мо, Яе, Яц, 1г главными образом растворяются в у-матрице и относятся к у-стабилизиру-ющим элементам. Вольфрам примерно поровну

распределяется между у'- и у-фазами. В соответствии с коэффициентом распределения концентрация рения в у-матрице является наибольшей по сравнению с остальными элементами легирующего комплекса. Положительное влияние рения на длительную прочность обусловлено увеличением температуры солидус сплава, повышенной растворимостью рения в никелевом твердом растворе и увеличением периода кристаллической решетки, снижением коэффициентов диффузии легирующих элементов [4]. Однако при высоких температурах и длительных ресурсах в высокорениевых сплавах образуются топологически плотно упакованные (ТПУ)-фазы. Для стабилизации фазового состава и снижения вероятности образования вредных ТПУ-фаз сплавы дополнительно легируют рутением [5].

Установлено, что влияние большинства легирующих элементов на изменение периодов кристаллических решеток у-фаз слабее, чем у-твер-дых растворов [1]. Поэтому структурно-фазовые параметры концентрационного упрочнения ЖНС определяются главным образом у-стабилизирую-щими элементами, которые в наибольшей степени изменяют ат

Основным методом определения мисфита является рентгеновская дифрактометрия. Определенная этим методом величина А характеризует усредненное значение размерного несоответствия

Таблица 1. Химический состав ЖНС [3-8], мае. %

Марка сплава C Cr Co Ta W Mo Ti Al Nb Hf Re Ru

ЖС6У 0.165 8.75 9.75 - 10.25 1.8 2.45 5.55 1 - - -

ЖС30 0.15 7 8.5 - 11.8 0.7 1.85 5.3 0.9 0.75 - -

ЖС32 0.15 4.8 9 4 8.6 1.1 - 5.95 1.6 - 4 -

ВЖМ1 [7] - 13.5 10.1 1.6-2.4 - 5.5-6.2 - - 7.8-10 -

ВЖМ4 [8] - 8 .5 8 .5 3.5-5.0 - 5.7-6.3 - - 5.6-7.0 2.0-6.0

Таблица 2. Данные по способу литья, режимам термообработки и длительной прочности

Марка сплава Способ литья Термообработка Длительная проч- 1100 Л/ГТТ ность о100 , МПа

гомогенизация старение

ЖС6У ПМП2* (Печь направленной 1210°C,4ч 950°C, 4 ч + 1000°C, 2ч 70

кристаллизации проходного типа)

ЖС30 ПМП2* 1250°C,3 ч 1050°C,10 ч 70

ЖС32 ПМП2* 1270°C, 3 ч 1050°C,10 ч 120

ВЖМ1 УВНК-9** (Печь высокоскоростной 1330°C,20 ч 1130°C, 4 ч, 870°C, 48 ч 165

направленной кристаллизации)

ВЖМ4 УВНК-9** 1320°C,20 ч 1130°C, 4 ч, 870°C, 48 ч 180

* Условия КМПО (Казанское моторостроительное производственное объединение). ** ФГУП "ВИАМ".

периодов кристаллических решеток у- и у'-фаз в стесненном состоянии и является интегральной характеристикой структурно-фазового состояния сплава.

В настоящей статье с использованием рентгеновской дифрактометрии определены значения у/У-мисфита для монокристаллов ЖНС разных поколений в литом состоянии и после термической обработки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили монокристаллы сплавов ЖС30, ЖС6У, ЖС32, ВЖМ1 и ВЖМ4, принадлежащие к разным поколениям. Эти сплавы являются двухфазными системами и состоят из неупорядоченного у-твердого раствора со структурой А1 (матрица), упрочненного когерентными выделениями у'-фазы на основе упорядоченного интерметаллида №3А1 со структурой Ь12. Объемное содержание упрочняющей у'-фазы для сплавов ЖС6У и ЖС30 порядка 55-58%, для остальных сплавов более 60%. Химический состав исследованных сплавов приведен в табл. 1.

Монокристаллы исследовали в литом состоянии, после гомогенизации и полной термической обработки, включающей гомогенизацию и старение. Образцы изготавливали из монокристаллических стержней, отлитых с кристаллографической ориентацией, близкой к [001] (ф[001] < 10°).

Исходные данные приведены в табл. 2.

Размерное несоответствие периодов кристаллических решеток фаз или стесненный мисфит А рассчитывали из соотношения

^ ay ay'

(1)

где aY и aу - периоды решеток у- и у'-фаз соответственно.

Периоды кристаллических решеток ay и ay определяли в направлении [001] по структурным линиям (002) и (004) и сверхструктурным линиям (001) и (003). Рентгенографирование выполнено на дифрактометре ДР0Н-4-07 в СиКа-излучении.

Разделение суммарного у + Y профиля Ка1 на фазовые синглеты от у- и у'-фаз проведено по специальной программе компьютерной графики "GOR" [9], выполняющей фурье-преобразование и синтез суммарной у + у'-кривой. Путем моделирования рентгеновских линий у- и у'-фаз найдены угловые положения максимумов, интегральные интенсивности, полуширина и параметры формы L/G, характеризующие изменения профиля линии от гауссовой (L/G = 0) до лоренцовой (L/G = 0.5). Периоды кристаллических решеток ay и aу определяли по угловым положениям максимумов рентгеновских линий у- и у'-фаз.

Суммарный у + у'-профиль образован наложением рентгеновских пиков от у- и у'-фаз с близкими значениями периодов кристаллических решеток и

Y

характеризуется в общем случае асимметрией и уширением. Такая форма линии обусловлена неоднородностью химического состава фаз из-за ликвации, а также спецификой когерентных деформаций кристаллической решетки в тонких у-прослойках, вызывающих тетрагональные искажения решетки у-фазы.

Влиянием субструктурного уширения линии можно пренебречь, так как прецизионная настройка положения образца перед записью рентгенограммы с использованием съемки в параллельном пучке размером 1.5 х 6 мм позволяет работать фактически с одним крупным блоком, состоящим из одной колонии дендритов.

Разделение суммарного профиля основано на предположении о том, что острый пик высокой интенсивности отвечает отражению от у-фазы, так как эта фаза имеет упорядоченную ГЦК-решетку и объемная доля у'-фазы в сплаве составляет порядка 60% и более. Напротив, отражение от у-фазы имеет меньшую интенсивность и уширено, поскольку имеется набор значений периодов кристаллических решеток твердого раствора вследствие ликвации. Кроме того, понижение симметрии у-твердого раствора от кубической к тетрагональной вследствие когерентных деформаций сопровождается, как известно, расщеплением рентгеновских отражений (ННк) и (Нк1), тогда как отражения от плоскостей типа (ННК) не расщепляются [10, 11].

Анализ нерасщепленного матричного профиля (222) позволил в дальнейшем провести комью-терное моделирование профиля (004) и оценить расщепление матричного рефлекса (004, 040, 400) за счет тетрагональных искажений, а также определить периоды кристаллических решеток фаз и их мисфит.

Для уточнения состояния у'-фазы выполняли рентгеносъемку в сверхструктурных рефлексах (003).

По результатам моделирования были определены первичные характеристики выделенных фазовых синглетов (004)-пиков (полуширина, интегральная интенсивность, угловое положение максимума), далее рассчитывали периоды кристаллических решеток в исследуемом кристаллографическом направлении и по формуле (1) вычисляли стесненный у/У-мисфит А. Степень тетрагональных искажений решетки у-матрицы, характеризуемая расстоянием между парными линиями (004), оценивали по соотношению

_ _ ау 1 ау 2

°м = а '

СЛу 1

(2)

где ау 1, ау 2 - периоды решеток для плоскостей {001}-прослоек, параллельных и перпендикулярных межфазной границе, соответственно [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Анализ формы суммарного у + у'-профиля

На рис. 1 приведены результаты компьютерного моделирования суммарных у + у'-профилей вместе с фазовыми синглетами основных структурных рефлексов (222) и (004) и сверхструктурного рефлекса (003). Сплавы распложены в порядке увеличения суммы тугоплавких легирующих элементов.

Как следует из рис. 1а, б, г, сверхструктурные рефлексы (003) описываются симметричными синглетными

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.

Показать целиком