научная статья по теме СОСТАВ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ПОСЛЕ БАРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Химия

Текст научной статьи на тему «СОСТАВ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ПОСЛЕ БАРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 2, с. 188-192

УДК 669+543.063

СОСТАВ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ПОСЛЕ БАРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

© 2007 г. В. П. Саныгин*, А. М. Квардаков*, А. Г. Па дал к о**, А. Н. Веселов**, С. П. Авдюхин**

* Институт общей и неорганической химии им. НС. Курнакова Российской академии наук, Москва **Институт физико-химических проблем керамических материалов Российской академии наук, Москва e-mail: sanygin@igic.ras.ru Поступила в редакцию 06.10.2005 г.

Методом электронно-зондового микроанализа в образцах цилиндрической формы многокомпонентного поликристаллического жаропрочного никелевого сплава обнаружены концентрические неоднородности по составу с повышенным содержанием алюминия и титана. Установлено, что ба-ротермическая обработка сплава приводит к интенсификации диффузионных процессов алюминия и титана и их накоплению у поверхности образцов. Конечной стадией диффузионного переноса этих элементов является образование на поверхности сплава Al-Ti-обогащенного слоя, способствующего повышению коррозионной стойкости как самого сплава, так и изделий на его основе.

ВВЕДЕНИЕ

Создание новых газотурбинных двигателей для авиации, а также транспортных и стационарных газотурбинных установок во многом определяется разработкой новых жаропрочных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. Жаропрочные сплавы на никелевой основе занимают первое место по масштабам производства и объему применения среди высокотемпературных материалов конструкционного назначения.

Вместе с тем, разработка таких сплавов в течение длительного времени осуществлялась эмпирическими методами. Повышение жаропрочных свойств достигалось главным образом путем легирования никеля все большим числом элементов, совокупное воздействие которых положительно влияло на то или иное свойство (длительную прочность, пластичность, усталость, сопротивление

лучены композиции современных жаропрочных сплавов, содержащие до 12-15 основных легирующих элементов, не считая микродобавок [1].

В последнее время исследуются способы, позволяющие находить оптимальные составы с меньшим числом легирующих элементов и улучшенными механическими свойствами и качеством структуры. В частности, эффективным способом снижения уровня пористости и интенсификации роста зерен по диффузионному механизму является баротермическая обработка (БТО) методом горячего изостатического прессования [2-5].

Эффективность БТО резко возросла с введением в производственный цикл дифференциального термического анализа (ДТА). Сочетание БТО и ДТА - дифференциальный баротермический анализ (ДБА) - успешно использовано при исследовании микроструктурных и фазовых изменений, сопровождающих БТО жаропрочных никелевых сплавов [6-13].

Однако ДБА является опосредствованным методом контроля состава. Изменения в параметрах известных фазовых переходов и возникновение новых не дают ответа на вопрос, чем они вызваны. Кроме того, малые количества посторонних (с точки зрения гомогенного твердого раствора) фаз не всегда поддаются регистрации. В этой связи данные микроанализа могут дать весьма ценную информацию о нарождающихся посторонних фазах в исходных сплавах и их развитии при БТО.

Целью настоящей работы являлось провести электронно-зондовый микроанализ посторонних фаз в процессе их возникновения и развития при БТО поликристаллического жаропрочного никелевого сплава и в случае выявления значительных отклонений от идеального состава оценить влияние фазовых изменений на основные характеристики сплава.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ

БТО поликристаллического жаропрочного никелевого сплава проводили на установке горячего

изостатического прессования фирмы ABRA (Швейцария). Сосуд высокого давления установки имел диаметр 400 и высоту 1200 мм. Начальное всестороннее давление аргона квалификации "в.ч." до 50-60 МПа создавали поршневым компрессором, после чего системой донного и бокового графитовых резистивных нагревателей поднимали температуру до необходимого уровня с синхронным повышением давления в сосуде высокого давления в соответствии с соотношением pV = nRT. Линейный подъем и изотермическую выдержку проводили в автоматическом режиме с использованием высокоточных программаторов-регуляторов Eurotherm с точностью поддержания температуры при изобарно-изотермической экспозиции ± 0.5 K в течение 4 ч. Баротермические параметры процесса контролировали и записывали с помощью микропроцессорного многоканального регистратора Chessell (Англия).

Образцы литого сплава гантелеобразной формы диаметром 10 мм в узкой и 14 мм в широких частях длиной 75 мм размещали при помощи специальной оснастки в рабочей зоне. Температуру в зоне образца контролировали при помощи воль-фрам-рениевых термопар WRe5-WRe20. Холодные концы термопар находились внутри сосуда высокого давления и крепились на специальных водоохлаждаемых разъемах, с которых измеряемую ЭДС выводили на регистратор.

Подъем температуры и охлаждение проводили с постоянной скоростью 10 K/мин, при этом температуру повышали по программе, в которой скорость нагрева при приближении к заданной температуре последовательно снижалась до 1 K/мин для того, чтобы избежать перегрева образца вследствие тепловой инерционности системы нагрева. Типичный цикл БТО приведен на рис. 1.

Поперечные шлифы из исходных и прошедших БТО образцов для металлографических исследований готовили с использованием электроэрозионной резки с последующей механической шлифовкой и полировкой алмазными пастами. Операции подготовки шлифов завершала электролитическая полировка с использованием этил-целлозольва в качестве электролита.

Метод электронно-зондового микроанализа основан на регистрации рентгеновского характеристического излучения, возбуждаемого в химических элементах образца при его бомбардировке потоком ускоренных электронов. Наиболее распространенным способом разложения в спектр возбужденного рентгеновского излучения является метод его отражения от кристаллов с известными межплоскостными расстояниями - кристал-лов-монохроматоров (формула Вульфа-Брэгга).

Основное достоинство метода электронно-зондового микроанализа - возможность определения химического состава вещества в локальных обла-

t, °C p, МПа

Время, мин

Рис. 1. Цикл БТО.

стях образца - реализуется, благодаря использованию электронного пучка, сфокусированного в зонд. Электроны с энергией от 10 до 30 кэВ проникают в образец на глубину порядка 1 мкм, чем и определяется наименьший анализируемый объем образца. Точность расчетов концентраций элементов в образце составляет ~1 мас. %; чувствительность обнаружения элементов —0.01 мас. % [14].

Методом электронно-зондового микроанализа (установка САМЕВАХ, Франция) при ускоряющем напряжении электронного пучка 20 кВ и токе через образец 10-7 А исследовали поперечные шлифы поликристаллического жаропрочного никелевого сплава состава (мас. %): № - 0.27, Сг - 15.27, Fe - 0.14, W - 4.87, Си < 0.009, Т - 4.46, Мо - 2.18, А1 - 2.95, Мп - 0.005, Со - 10.42, Si - 0.09, Р - 0.003, С - 0.10, S - 0.003, РЬ < 0.001 - до и после БТО. Поскольку точность определения химического состава методом электронно-зондового микроанализа ~1 мас. %, анализ распределения элемента возможен только в том случае, если его предполагаемое содержание в образце больше погрешности его определения. Такими элементами в исследуемом жаропрочном никелевом сплаве были Сг - 15.27, W - 4.87, Т - 4.46, Мо - 2.18, А1 - 2.95, Со - 10.42 мас. %.

БТО поликристаллического жаропрочного сплава указанного состава проводили в двух режимах: при г = 1308°С, р = 130 МПа и при г = 1400°С, р = = 140 МПа. Как до, так и после БТО в образцах никелевого сплава при обоих режимах обнаружены существенные неоднородности в распределении алюминия и титана. До БТО эти неоднородности с 1-2%-ным избыточным содержанием элементов имели случайный характер, и их обнаружение электронным зондом ввиду малых количеств составля-

Рис. 2. Распределение основных элементов поликристаллического жаропрочного сплава в областях, примыкающих к боковой поверхности образцов цилиндрической формы, после БТО при Г = 1308°С, р = 130 МПа (а) и при Г = 1400°С, р = 140 МПа (б).

ло определенные трудности. После БТО неоднородности по алюминию и титану превращались в легко обнаруживаемые концентрические кольцевые фронты, в которых концентрация элементов возрастала по мере приближения к поверхности образцов до десятков процентов (рис. 2).

Образование концентрационных фронтов и их интенсификация по мере приближения к поверхности образцов говорят о том, что БТО вызывает в сплаве собирательную диффузию элементов от осевой к поверхности образцов. При этом из данных электронно-зондового анализа жаропрочно-

го никелевого сплава после БТО при г = 1308°С, р = 130 МПа (рис. 2а) следует, что концентрационный профиль алюминия расположен ближе к торцевой поверхности шлифа, чем концентрационный профиль титана и, следовательно, образование и скорость продвижения к поверхности образца диффузионного фронта А1 выше этих характеристик для Т1

Данные электронно-зондового микроанализа для БТО-образцов никелевого сплава при г = = 1308°С, р = 130 МПа согласуются с литературными данными по диффузии А1 и Т по № при нормальном внешнем давлении.

Поскольку коэффициент диффузии

в = д^хрЬЕда)]

(В0 - предэкспоненциальный множитель, Еа -энергия активации), то, чем больше В0 и меньше Еа, тем выше скорость диффузионного процесса.

Как следует из данных таблицы, при температурах, близких температурным режимам БТО, в никеле при нормальном внешнем давлении скорость диффузии алюминия выше скорости диффузии титана. Таким образом, вначале и по мере развития собирательной диффузии алюминия и титана соотношение скоростей движения этих элементов от центра к поверхности такое же, как и при атмосферном давлении. Однако при достижении алюминием и титаном поверхности образца и по мере накопления их в приповерхностных областях диффузионные параметры этих элементов существенно изменяются.

Из рис. 26 следует, что при более мощной БТО (г = 1400°С, р = 140 МПа) концентрационные проф

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