ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 9, с. 1294-1299
УДК 669.265.295;620.178.152
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА МИКРОСТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ПРОЧНОСТЬ in-situ-КОМПОЗИТА Nb/Nb5Si3
© 2015 г. И. Л. Светлов1, Н. А. Кузьмина1, А. В. Нейман1, И. В. Исходжанова1, М. И. Карпов2, Т. С. Строганова2, В. П. Коржов2, В. И. Внуков2
E-mail: svetlov2010@yandex.ru; stroganova@issp.ac.ru
In-situ-композиты Nb/Nb5Si3 направленно закристаллизованы по методу Бриджмена со скоростями 1.25—2.50—5.00—10 мм ■ мин-1. Изучено влияние скорости кристаллизации на микроструктуру, фазовый состав и прочность композитов. С повышением скорости кристаллизации уменьшается размер эвтектических ячеек и повышается предел прочности на изгиб при 1300° C. Скорость кристаллизации в указанных пределах не влияет на фазовый состав композитов. Химический состав и периоды кристаллических решеток фазовых составляющих не изменяются после испытаний на ползучесть при 1300°C.
DOI: 10.7868/S0367676515090240
ВВЕДЕНИЕ
Высокотемпературные т^Ш-композиты относятся к особому классу естественных композиционных материалов. С термодинамической точки зрения, такие композиты обладают исключительно высокой фазовой и структурной термостабильностью. Химические потенциалы матрицы и армирующих фаз в таких системах равны, и поэтому в первом приближении отсутствуют диффузионные потоки и химическое взаимодействие между ними. Процесс получения т^Ш-композитов №/№58% базируется на бинарной диаграмме №—81. Композиционная микроструктура данного композита формируется в условиях одноосного теплового потока в результате протекания последовательного ряда фазовых превращений первого рода, полнота превращения которых контролируется кинетическими факторами, т.е. коэффициентами диффузии и скоростями кристаллизации. При направленной кристаллизации т^Ш-композитов №/№>5813 микроструктура образуется в результате эвтектической реакции Ь о № + №381, последующего эвтектоид-ного распада №381 о № + №58% и, наконец, полиморфного превращения в силициде №58%.
Композиционная микроструктура состоит из матрицы твердого раствора ниобия, армированного однонаправленно ориентированными пластинами силицида ниобия N^8%. Качество и характер композиционной структуры существенно зависят от условий получения, в частности от скорости направленной кристаллизации. Направ-
1 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов", Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики твердого тела Российской академии наук, Черноголовка.
ленная регулярная структура пластин силицида ниобия N^8% формируется в условиях микроскопически плоского фронта кристаллизации при низких скоростях роста и высоких термических градиентах. По мере повышения скорости кристаллизации происходит искривление фронта роста в микроскопическом масштабе и вместо регулярной ориентации пластин образуется ячеистая микроструктура, при которой пластины силицидов расположены веерообразно.
Серия работ [1—4, 6—12] посвящена исследованию влияния скорости кристаллизации на формирование микроструктуры и механические свойства ряда т^Ш-композитов системы №/№5813. В этих работах изучен весьма широкий интервал варьирования скоростей кристаллизации от 0.05 до 50 мм • мин-1. Несмотря на различные способы получения композитов, а также различные химические составы, во всех работах была обнаружена общая фундаментальная закономерность: с повышением скорости кристаллизации микроструктура становится более дисперсной: уменьшается толщина и расстояние между пластинами силицида №5813, а также размер эвтектических ячеек. При этом одновременно повышались механические свойства, в частности предел прочности при растяжении [1, 2, 8] и сжатии [7], а также вязкость разрушения [1, 2, 4, 5, 7, 8]. В работе [10] была определена критическая скорость кристаллизации ~0.15 мм • мин-1, превышение которой приводило к искривлению плоского фронта роста и возникновению ячеистого фронта кристаллизации. Как результат, нарушалась регулярная пластинчатая микроструктура и образовывались эвтектические ячейки.
Задача настоящей работы состояла в исследовании влияния скорости кристаллизации в процессе получения т^Ии-композита N^N^8% на
микроструктуру, фазовый состав и механические свойства при температуре 1300°С. Физически более правильно изучать формирование микроструктуры в зависимости от скорости охлаждения Q, которая, исходя из размерности, равна произведению градиента температуры G на фронте роста на скорость Vкристаллизации Q = GV. В процессе направленной кристаллизации градиент температур на фронте роста является величиной постоянной: G = const, и поэтому скорость охлаждения Q прямо пропорциональна скорости кристаллизации V.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исходные слитки сплава Nb—Si—'Ti—Zr- Hf-Cr—Al—Mo—Y получали методом индукционной плавки во взвешенном состоянии в атмосфере аргона. Время нахождения подвешенной в скрещенных магнитных полях 20-грамовой капли расплава составляло одну минуту. Полученный расплав выливали в медную изложницу. Выплавленные таким способом слитки сплава представляли собой цилиндры диаметром 8.5—7 мм и высотой 20—30 мм.
Направленную кристаллизацию осуществляли методом Бриджмена на установке Кристалл-5 с индукционным нагревом. Перед началом плавки тигель из оксида циркония с находящимся в нем слитком устанавливали на вольфрамовом стержне, который выполнял роль кристаллизатора-холодильника. После полного расплавления слитка тигель с вольфрамовым кристаллизатором вытягивали из горячей зоны печи с определенной скоростью. Отвод тепла от вольфрамового холодильника происходил за счет излучения. Направленную кристаллизацию осуществляли с различными скоростями вытягивания: 1.25—2.5—5.0—10.0 мм • мин-1. В первом приближении считали, что скорость вытягивания равна скорости кристаллизации.
Образцы для структурных исследований были вырезаны из слитков электроэрозионным методом. Поверхность образцов дополнительно шлифовали для механических испытаний и полировали для исследования структуры. Травление шлифов проводили в реактиве, содержащем плавиковую, серную, азотную кислоты и дистиллированную воду.
Измерение ширины эвтектических ячеек с помощью программы обработки изображений ImageExpertPro 3x проводили на электронных изображениях структуры композита, полученных в сканирующем электронном микроскопе JE0L-6490LV в режиме COMPO. При помощи графического планшета Wacom Intios на изображении вручную прорисовывали границы эвтектических ячеек, а затем методом горизонтальных секущих определяли среднюю ширину эвтектических ячеек.
Для анализа элементного и фазового составов использован сканирующий микроскоп Tescan Vega
II XMU c энергодисперсионным INCA Energy 450 и волнодисперсионным INCA 700 спектрометрами.
Испытания образцов размером 2 х 2 х 15 мм на кратковременную прочность и ползучесть проводили при температуре 1300°С, по схеме трехточечного изгиба в вакуумной камере установки Instron в атмосфере аргона высокой чистоты. Предел прочности ств определяли при максимальной нагрузке Р по известной формуле (1)
3PL
а в =
2bh
(1)
где L расстояние между опорами, а Ь и h — ширина и высота образца.
Для получения характеристик ползучести была проведена серия экспериментов, где измеряли деформацию образца под действием ступенчато повышающейся нагрузки в течение равных промежутков времени (8—10 часов при постоянной нагрузке). Расчет был проведен по методике, предложенной в работах [13, 14]. Принимали степенной закон зависимости скорости деформации е ползучести от приложенного напряжения а при температуре Т:
е = п
а
(2)
У
где п — константа, m — показатель степени, а„ — предел ползучести.
В расчете константа цп = 10-4 ч-1. Это означает, что искомое а„ — это напряжение, вызывающее 1% деформации за 100 ч, т.е. это предел ползучести а1/100. В случае испытания на изгиб в условиях установившейся ползучести, в соответствии с задачей изгиба стержня, это уравнение приобретает вид скорости прогиба. Скорость прогиба в свою очередь связана с нагрузкой, которую прикладывали к центру образца. Данная методика позволяет получить в относительно короткие сроки оценочные характеристики ползучести материалов.
Для применения методов рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа необходимо было провести съемку образца в виде порошка. Для этого образцы были измельчены, а затем растерты в агатовой ступке до состояния пудры. На модернизированном рентгеновском дифрактометре ДРОН-4 с микрпроцессорной системой автоматизации МСАРД-2 были получены порошковые дифрактограммы в Си^а-излучении. Дифракто-граммы были сняты с добавлением внутреннего стандарта Се20 для введения поправок углов отражения при уточнении параметров фаз.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1.1. Влияние скорости кристаллизации на ширину эвтектических ячеек
На рис. 1 приведены микроструктуры продольных сечений слитков композита после направлен-
1296
Рис. 1. Ячеистая микроструктура композита при скоростях кристаллизации: а — 1.25 мм • мин-1; б — 10 мм • мин-1.
R, мкм 140
120
100
80
60
40
20
0
8 10 V, мм ■ мин-1
СВЕТЛОВ и др.
б
I, отн. ед.
3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0
N1^ и у-№3815 «У203
1 II II о >■ ; - э в 1.25 .„.л. А
2.5
1—кк_ж! Ы 5
1 * 10 мм ■ мин-1
- , ,Л А А,Ы /1 1 .М ил-Л/1 . 1
3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 б
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
29, град
Рис. 2. Зависимость ширины ячеек Я от скорости кристаллизации V.
Рис. 3. Сравнение дифрактограмм порошков эвтектических композитов, полученных с разными скоростями кристаллизации: а - после кристаллизации, б — после испытания на ползучесть при 1300°С.
а
6
2
4
ной кристаллизации с различными скоростями кристаллизации. Направленная микроструктура представляет собой типичный конгломерат эвтектических ячеек, каждая из которых состоит из ни-обиевой матрицы и упрочняющих силицидов ниобия пластинчатой морфологии. Эвтектические ячейки вытянуты вд
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.