УДК 669.265.295;620.178.152
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СЛОИСТОГО КОМПОЗИТА ИЗ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНОГО СПЛАВА С КАРБИДНЫМ И ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИМ УПРОЧНЕНИЕМ
© 2015 г. С. А. Фирстов1, М. И. Карпов2, В. П. Коржов2, В. Ф. Горбань1, Н. А. Крапивка1, Т. С. Строганова2
E-mail: korzhov@issp.ac.ru
Исследовался композиционный материал, полученный диффузионной сваркой многослойного пакета из фольг высокоэнтропийного (ВЭ) сплава FeCoNiMnCr и фольг сплава Al—Si. После сварки под давлением на месте AlSi-сплава формировались диффузионные слои из интерметаллических соединений Ме(А1^), Ме2(А1^) и Ме3(А1^). Кроме того, в процессе сварки наружные фольги из ВЭ-сплава имели возможность науглероживаться с образованием карбидных выделений на основе хрома как наиболее карбидообразующего элемента. В интервале 750—950°С проведены механические испытания на изгиб, которые показали, что предел пропорциональности полученного композиционного материала вплоть до 950°С оставался стабильным в пределах ~665 ± 120 МПа, а его максимальное напряжение — 920 ± 155 МПа. Представлены результаты длительных температурных испытаний на ползучесть. Разрабатываемый материал по своим высокотемпературным свойствам сопоставляется с современными сплавами на основе системы Ti—Al, обладающими рабочими температурами до 750—800°С, и способен повысить их потолок до 900—950°С.
DOI: 10.7868/S0367676515090057
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшая задача современного материаловедения — разработка новых жаропрочных материалов для изготовления турбинных и сопловых лопаток газотурбинных двигателей. Применяемые в настоящее время суперсплавы на основе системы Ni—Al имеют температуры плавления, близкие к 1400°С, что ограничивает потолок их рабочих температур диапазоном 1100—1150°С. Аналогичные аргументы можно привести и в отношении сплавов на основе системы Ti—Al, которые используются в более умеренных условиях. Их рабочая температура ограничивается 800—850°С.
Актуальность задачи состоит в том, что сплавам Ni—Al требуется эффективная замена. А сплавы на основе системы Ti—Al нуждаются в существенном повышении потолка их температурной устойчивости.
В последнее десятилетие, благодаря интенсивным исследованиям [1—9], открылся новый класс металлических сплавов — класс высокоэнтропийных сплавов (ВЭС), содержащих от 5 до 10 элементов обычно в эквиатомном соотношении. Первая особенность ВЭ-сплавов — присутствие в них относительно большого количества разнородных
1 Институт проблем материаловедения имени И.Н. Франце-вича НАН Украины, Киев, Украина.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики твердого тела Российской академии наук, Москва.
атомов с разным электронным строением, приводящее к значительным искажениям кристаллической решетки образующихся твердых растворов, что способствует их твердорастворному упрочнению и термодинамической стабильности свойств [10]. Вторая особенность — повышенная термодинамическая устойчивость, дающая возможности для сильного переохлаждения расплавов. Это инициирует образование большого количества центров кристаллизации и впоследствии нанокри-сталлической структуры во всем объеме сплава, также являющейся мощным фактором упрочнения [11, 12]. Третье — однофазные ВЭС с ГЦК-ре-шеткой обладают достаточной пластичностью, обеспечивающей им высокую степень деформации, позволяющую получать даже при комнатной температуре фольгу толщиной менее 0.1 мм [13]. Последнее имеет значение для технологии, разрабатываемой в настоящей работе.
В упоминаемых работах ВЭ-сплавы были объектом фундаментальных исследований, и речь не шла об их использовании. В настоящее время, в связи с обострением проблемы повышения рабочих температур жаропрочных материалов, ВЭС становятся объектом практического интереса. Предлагаемое здесь использование ВЭ-сплавов в качестве одной из составляющих многослойного жаропрочного композита находится в русле начавшей обозначаться тенденции.
Проблема жаропрочности в современной постановке берет начало от 70-х годов прошлого
столетия с началом регулярного проведения конференций одновременно в СССР и в западных странах. Во все последующие годы исследования в области жаропрочности получили большое развитие в научно развитых странах и, к сожалению, сошли почти на нет в бывшем СССР за 80-е годы. Заметное возрождение исследований по жаропрочным сплавам в РФ началось лишь в последние годы. Традиционно они сконцентрированы в ВИАМе. Разрозненные отдельные группы присутствуют еще в нескольких институтах РАН. Такое состояние в данной отрасли материаловедче-ской науки также свидетельствует в пользу предлагаемых исследований.
При правильном подборе пяти и более элементов, включая такие тугоплавкие металлы, как Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo, есть возможность получить твердые растворы замещения с ОЦК- или ГЦК-решет-ками. Тип кристаллической решетки ВЭС задается усредненным значением электронной концентрации валентных ds-электронов в металлах, входящих в состав шихты [14, 15].
Идея, реализуемая в работе для получения жаропрочного композиционного материала, заключается в создании многослойной структуры. Она должна представлять собой чередование относительно пластичных слоев твердого раствора алюминия в металлах ВЭС и прочных, но хрупких, интерметаллических слоев, содержащих алюминий, типа Ме3А1, Ме2А1 и (или) МеА1 (Ме = Ti, Zr, Cr, Nb, Mo...). Интерметаллические слои должны будут обеспечить композиту жаропрочность, а слои твердого раствора, тормозя трещины в хрупких слоях, — трещиностойкость при нормальных условиях. Формирование слоистой структуры композита осуществляется в процессе диффузионной сварки (ДС) под давлением многослойных пакетов, собранных из чередующихся фольг ВЭС и Al. Описанная выше структура получается как результат взаимной диффузии между слоями ВЭС и алюминия. Режим ДС определяется составляющими пакета. Например, для пакета с фольгами из сплавов на основе Ti—Al и Al температура ДС может не превышать 1150—1250°С; для пакетов, собранных из фольг сплавов, содержащих Nb и Мо, — 1500—1700°С. Основываясь на уже накопленном опыте, композиты можно изготавливать в форме пластин толщиной 2—3.5 мм с размерами около 40 х 60 мм и более, что сопоставимо с габаритами турбинных лопаток некоторых двигателей. Таким образом, создается основа для разработки прототипов реальных элементов конструкций.
В дополнение к описанному выше способу интерметаллического упрочнения в работе будет использовано карбидное упрочнение твердого раствора на основе ВЭС. Практическое исполнение его будет предусмотрено технологией сварки пакета.
Главный ожидаемый результат заключается в повышении рабочей температуры композицион-
ного материала, сопоставимого и конкурирующего по своим высокотемпературным свойствам с современными сплавами на основе системы Ti— Al с рабочей температурой в интервале 750—800°С до 900—950°С.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ СПЛАВА И КОМПОЗИТА НА ЕГО ОСНОВЕ
Для исследования в качестве деформируемого ВЭС использовался сплав состава Fe20Co20Ni20Mn20Cr20, который по сочетанию свойств мог конкурировать со сплавами на основе системы Ti—Al.
Сплав изготавливался методом дуговой плавки с не расходуемым W-электродом в атмосфере аргона высокой чистоты в печи "МИФИ-9". Форма слитка формировалась ручьевым профилем водо-охлаждаемого Cu-пода. Масса шихты для одного слитка равнялась 100 г. Для гомогенизации состава слитки переплавлялись 6—7 раз, расплав охлаждался со скоростью 80—100°С/с. После литья сплав имел структуру ГЦК-твердого раствора и обладал твердостью на уровне 2.7 ГПа при модуле упругости 131 ГПа.
Деформация слитков проводилась при комнатной температуре от толщины 5 мм до 0.4 мм сначала на станах ДУО-500 и 200 со степенью деформации порядка 15% за один проход, затем на 4-валковом стане тонкой прокатки. После прокатки твердость увеличивалась до 5.5 ГПа при незначительном подрастании модуля упругости до 140 ГПа.
Опытные пакеты составлялись из трех отрезков ленты ВЭС и двух фольг сплава Al—Si толщиной 0.1 мм. Номинальное содержание кремния в Al составляло ~0.5 ат. %. Он вводился как добавка, упрочняющая алюминий и, вместе с тем, родственная ему по способности образовывать химические соединения с переходными металлами. Отношение толщин ¿b^/^í = 4. Примерно при таком отношении толщин tTi/tM в композите из фольг чистого Ti и Al после диффузионной сварки образовывались диффузионные слои интерме-таллида Ti3Al и твердого раствора алюминия в титане [16].
ДС пакетов осуществлялась в модернизированной вакуумной установке УДС-10 (рис. 1), имеющей нагреватель цилиндрической конфигурации из высокопрочного графита, способного выдавать температуру 1700°С, в два этапа. На первом этапе температура сварки не превышала температуру плавления алюминия и поддерживалась в интервале 600—620°С, чтобы предотвратить вытекание его из пакета. Алюминий связывался в интерметаллическое соединение MeAl3 [17], где Ме — элементы ВЭС. Время 1-го этапа сварки — 2 ч, давление — 5.2 МПа.
Рис. 1. Взаимное расположение основных узлов установки для ДС: 1 — водоохлаждаемый корпус камеры, 2 — система тепловых экранов из прессованной графитовой ваты и Мо-фольги, 3 — неподвижный пуансон, 4 — нагреватель из высокопрочного графита, 5 — испытуемый пакет (в случае карбидного упрочнения между пунсонами и пакетом прокладывалась углеродная фольга), 6 — подвижный пуансон, Р — усилие.
2-й этап сварки: температура — 1050°С, время — 30 мин и небольшое давление ~4.6 МПа. Медленный подъем до выбранной температуры осуществлялся без давления. Для карбидного упрочнения наружных слоев композита между подвижным и неподвижным пуансонами и пакетом прокладывались графитовые фольги марки "Графлекс ГФ-Г" толщиной 0.3 мм. Для исследования и испытаний в работе использовались растровая электронная микроскопия (РЭМ) и рентгеновский спектральный анализ (РСА), кратковременные испытания на 3-точечный изгиб при комнатной и повышенных температурах и температурные испытания на ползучесть.
Содержание углерода определялось по специально разработанной и проверенной сравнительным путем методике, имея для каждого случая отдельный шлиф исследуемого сплава, з
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.