ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 8, с. 1094-1097
УДК 536.421.5;536.46
МАСШТАБНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СТРУКТУРЕ СОВРЕМЕННЫХ СУПЕРСПЛАВОВ. РОЛЬ НАНОЧАСТИЦ
© 2008 г. Н. А. Конева1, Е. Л. Никоненко1, Н. А. Попова1, М. В. Федорищева2,
Ю. Р. Колобов3, Э. В. Козлов1
E-mail: Koneva@tsuab.ru
В работе подробно рассмотрено структурное состояние у1- и у-фаз современных суперсплавов. Предложена классификация масштабных эффектов в морфологии у-фазы.
ВВЕДЕНИЕ
Современные суперсплавы представляют собой двухфазную смесь у' и у. Размерным эффектам в структуре современных суперсплавов уделяют мало внимания. Между тем проблема упрочнения суперсплавов при различных температурах тесно связана с размерными эффектами. Настоящая работа детализирует некоторые варианты структуры современных суперсплавов с точки зрения размерного эффекта У- и у-фаз. Проанализированы размеры частиц у'-фазы в виде как квазикубоидов, так и другой формы. Одновременно рассмотрены размеры прослоек у-фазы.
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СОВРЕМЕННЫХ СУПЕРСЛАВОВ
Основные фазы. 1) у'-фаза - это ГЦК упорядоченный твердый раствор на основе N1 со сверхструктурой Ь12 (тип Си3Аи) [1]. Количество ее колеблется в разных состояниях от 0.7 до 0.85 от общего объема материала. Морфологически основная доля у'-фазы представляют собой квазикубоиды с довольно четкой огранкой, окруженные прослойками у-фазы (рис. 1).
Современные суперсплавы отличает большая объемная доля у'-фазы в виде кубоидов. Обобщающая схема сложной иерархической структуры суперсплава приведена на рис. 2. В общем случае в составе сплава могут присутствовать четыре структурных уровня у'-фазы. Они отличаются размерами и обозначены по мере уменьшения их
как у I, у д, у щ и у ¡у. Кубоиды у д обычно имеют
размеры "мезоуровня". Двухфазная смесь (у + у ¡1), содержащая высокую плотность кубоидов, явля-
1 Томский государственный архитектурно-строительный университет.10
2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск.
3 Белгородский государственный университет, Центр нано структурных материалов.
ется основной фазово-морфологической составляющей суперсплава. Она стабильна под действием температуры и напряжений.
МАСШТАБНЫЕ ЭФФЕКТЫ В МОРФОЛОГИИ у'-ФАЗЫ
На рис. 2 представлена схематическая картина структуры суперсплава, построенная на основе обобщения ряда исследований. Классификация частиц у-фазы и двухфазных смесей у' + у по размерам дана в таблице. Структурная смесь у ¡1 + у занимает основной объем суперсплава и образует большие протяженные области размером вплоть до 500 мкм. В реальных суперсплавах встречаются и другие масштабные образования у'-фазы и смеси (У + у)-фаз. Прежде всего могут присутствовать крупные частицы у I -фазы дендритного происхождения. Это от-
Рис. 1. Типичный пример двухфазной структуры (у + у) суперсплава: а - изображение, полученное в растровом электронном микроскопе; б - в просвечивающем.
(010)
Рис. 2. Схематическое изображение морфологии у1- и у-фаз на разных масштабных уровнях в суперсплаве.
Рис. 3. Изображение структуры суперсплава, полученное методом растровой электронной микроскопии (стрелками отмечены частицы у'-фазы первого уровня).
дельно отстоящие друг от друга частицы неправильной формы, вытянутые вдоль направления (001) таким образом, что при относительно небольших увеличениях имеют вид дендритной структуры (рис. 2-4). Прослойки между этими частицами заполнены смесью (у ц + у)-фаз. В свою
очередь пространство между кубоидами у ц -фазы второго уровня заполнено прослойками мелкодисперсной смеси (у + у)-фаз.
Основная морфологическая составляющая -это смесь двух фаз: у и у ц, что особенно четко видно при больших увеличениях (рис. 4б-г). В этой смеси присутствуют частицы у'-фазы квази-
кубоидной формы. Частицы у|т выстроены достаточно четко в двух направлениях типа (001).
Растровая электронная микроскопия достаточно убедительно выявляет в структуре сплава существование областей у'-фазы двух масштабных уровней. Первый уровень - крупные частицы
(25-90 мкм) у | -фазы и второй уровень - более
Рис. 4. РЭМ-изображение структуры суперсплава. Стрелками обозначены присутствующие фазы.
1096
КОНЕВА и др.
Рис. 5. Сложная структура частиц yj -фазы первого уровня в суперсплаве: а - светлопольное изображение, внутри частицы у J находится двухфазная смесь
у In + у; б - темнопольное изображение в сверхструктурном рефлексе [001], стрелками указаны частицы у In , между которыми находятся прослойки у-фазы; в -микродифракционная картина, содержащая сверхструктурные рефлексы 001, 211 , 210 , 211 .
Рис. 6. Изображение структуры суперсплава, полученное методом ПЭМ: а - светлопольное изображение частиц Уд, белыми стрелками показаны
участки двухфазной смеси у + у ¡у , черными стрелками - дислокации; б - микродифракционная картина, соответствующая данному участку фольги и
содержащая сверхструктурные рефлексы 110,
100, 010; в - темнопольное изображение в основном рефлексе 020; г - темнопольное изображение участка А в сверхструктурном рефлексе 010, белыми стрелками указаны фазы, находящиеся в двухфазной смеси у + у ¡у .
мелкие частицы (2.5-10 мкм) у 11 -фазы, находящиеся в смеси у д + у. Частицы фазы у д второго уровня обнаруживают коагуляцию вдоль некоторых направлений (рис. 4г), т.е. наблюдается так называемая "рафт"-структура [2].
Изучение частиц у I -фазы первого уровня, которые выглядели на РЭМ-изображениях как однофазные, показало сложное строение этих областей. Среди участков у I -фазы встречаются как однородные частицы, так и неоднородные (рис. 5).
При большом увеличении видно, что наблюдаются частицы у I -фазы двух типов: одни - однофазные (у I), другие содержат в себе как включения
двухфазные области у щ + у (рис. 5). Двухфазные области могут возникнуть в результате распада у I по реакции у I ^ у щ + у при отжиге суперспла-
Параметры морфологической структуры у- и у-фаз
Номер структурного уровня Структурный уровень Элементы структуры Масштаб размеров частиц у'-фазы
I Основная структура суперсплава Области у д + у 150-500 мкм
II Остатки дендритных образований Частицы у I 25-90 мкм
III Мезоуровень Частицы у д Области у ¡п + у 2.5-10 мкм 0.45-1.0 мкм
IV Микроуровень Прослойки у ¡у + у 250-700 нм
V Наноуровень Частицы у щ Частицы у ¡у Прослойки у-фазы в смеси фаз у ¡п + у Прослойки у-фазы в смеси фаз у ¡у + у 90-130 нм 30-80 нм 10 нм 2-5 нм
ва. Объемная доля этих областей сравнительно невелика, их примеры представлены на рис. 5. Эти области состоят из квазикубических частиц
у щ -фазы размером 90-130 нм и прослоек у-фазы шириной ~10 нм. На светлопольных изображениях рис. 5 видны частицы у ¡п, разделенные прослойками у-фазы. Тонкая структура квазикубоид-ных частиц у д -фазы второго уровня и прослоек
у-фазы между ними в смеси у д + у хорошо видна также на электронно-микроскопических снимках рис. 6. На дифракционных картинах, соответствующих смеси у д + у, наблюдаются сверхструктурные рефлексы у'-фазы. На границах у- и у-фаз имеются дислокации. Детальное изучение двухфазной смеси у д + у методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показало, что прослойки у-фазы в этой смеси также имеют сложное строение (рис. 6). Они содержат мелкие квазикубические частицы у ¡у -фазы, которые на РЭМ-изображениях не обнаруживаются. Их идентификация с использованием светлопольно-го и темнопольного (в сверхструктурном рефлексе [010]) изображений представлена на рис. 6 б, г. Мелкие частицы у'-фазы, размер которых составляет 30-80 нм, классифицированы здесь как у¡у -частицы у'-фазы четвертого уровня. Прослойки у-фазы между частицами у ^ имеют толщи-
ну 2-5 нм. Частицы у ¡V, как и у щ, фактически относятся по масштабу к наноразмерным [3].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Особенно важны при формировании свойств сплава частицы у д и у ¡V. Частицы у д - основная упрочняющая фаза. Частицы наноуровня у ¡V заполняют каналы у-фазы между кубоидами уд. Тем самым они создают новый механизм упрочнения суперсплава. Ширина сохраняющихся при этом прослоек у-фазы не позволяет генерировать в них и проходить по ним дислокациям [3]. Парадоксален тот факт, что выделяющиеся наноча-
стицы у IV упрочняют суперсплав в условиях ползучести при высоких температурах. Это явление должно быть использовано для повышения как ресурса, так и параметров эксплуатации суперсплава.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвеева Н.М., Козлов Э.В. Упорядоченные фазы в металлических системах. М.: Наука, 1989.
2. Козлов Э.В., Никоненко Е.Л., Конева H.A., Попова H.A. // Деформация и разрушение материалов. 2006. № 3. С. 44.
3. Kozlov E.V. Structure and resistance to deformation of UFG metals and alloys, Severe plastic deformation: Toward Bulk Production of Nanostructured Materials / Ed. Burhanettin S. Altan. - USA: Nova Science Publ. Inc., 2006. P. 295.
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.