ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................1
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.
1.1. Термическая стабильность структуры жаропрочных сплавов........4
1.2. Роль размерного несоответствия на границе у - / фаз в термической стабильности сплава...............................................10
1.3. Применение методов высокотемпературной рентгенографии для определения стабильности фазового состава жаропрочных сплавов.....17
1.4. Воздействие на расплав жаропрочных никелевых сплавов перед кристаллизацией как способ повышения механических свойств в твердом состоянии.........................................................22
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ............................................27
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Объект исследования..........................................28
2.2. Металлографические исследования..............................28
2.3. Электронно-микроскопические исследования......................28
2.4. Рентгеновские исследования...................................28
2.5. Высокогемпературные рентгеновские исследования...............30
2.6. Исследование удельного электросопротивления..................31
2.7. Метод дифференциального термического анализа (ДТА)...........33
2.8. Механические испытания.......................................33
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ.
3.1. Разделение отражений от у и у" фаз в составе суммарной у + у' линии при комнатной температуре .......................................34
3.2. Изменение формы рентгеновской у + / суммарной линии при ншрсвс образца в вакууме................................................37
3.3. Высокогемпературные рентгеновские исследования в окислительной среде............................................................42
3.4. Изменения формы рентгеновской у + у' линии в условиях предварительной высокотемпературной деформации образца...........46
3.5. Исследование кинетики упорядочения сложнолегированной у'-фазы в составе никелевого жаропрочного сплава...........................53
3.5.1. Характер изменения удельного сопротивления сплава ОДА! в условиях изотермической выдержки..........................54
3.5.2. Характер изменения удельного электросопротивления жаропрочных никелевых сплавов в условиях изотермической выдержки................................................60
3.5.3. Изменения формы дифракционной рєігггеновской линии (004), происходящие при изотермическом наїреве жаропрочных никелевых сплавов.......................................64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 3............................................74
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА (ВТОР) НА СТАБИЛЬНОСТЬ УПРОЧНЯЮЩЕЙ
ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОЙ /-ФАЗЫ ПРИ НАГРЕВЕ..............................77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 4............................................88
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОЙ /-ФАЗЫ В МОНОКРИСТАЛЬНЫХ <001> ОБРАЗЦАХ СПЛАВА ЖС32, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ВВЕДЕНИИ В РАСПЛАВ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА КАРБОНИТРИДА ТИТАНА
5.1. Ростовая структура монокристаллов углеродистого сплава......89
5.2. Ростовая структура монокристаллов низкоуглеродистосо сплава.94
5.3. Термическая стабильность фазового состава сплава............97
5.4. Механические свойства.......................................97
5.5. Факторы, влияющие на термическу ю стабильность сплава.......97
5.6. Резу льтаты высокотемпературных рентгеновских исследований..99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 5...........................................106
ВЫВОДЫ .................................................108
ЛИТЕРАТУРА
110
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Жаропрочные никелевые сплавы составляют важную группу высокопрочных сплавов, используемых в авиационной и космической технике. Изделия из этих сплавов получают в монокристальном состоянии для использования в условиях высокотемпературного нагружения. Условия эксплуатации таких изделий предъявляет высокие требования к термической стабильности структуры сплава.
Монокристаллы жаропрочных сплавов на основе никеля представляют собой гетерофазные сложнолегированные системы. Для определения стабильности фазового состава различных сплавов как правило используется метод высокотемпературной рентгенографии, однако применение этого метода для изучения эволюции структуры жаропрочных никелевых сплавов непосредственно в процессе нагрева до последнего времени бы;ю крайне ограничено из-за трудностей, возникающих при интерпретации полученных результатов.
Использованный автором данной работы метод обработки данных высокотемпературной рентгенографии применительно к жаропрочным никелевым сплавам (1995 г.) разработан самостоятельно и в настоящее время позволяет определить объемную долю упрочняющей иитерметаллидиой у'-фазы в сплаве при заданной температуре. Аналогичный подход развивается сейчас во Франции (Bellet D., ßastic Р., начиная с 1996 г.).
В настоящее время все активнее предпринимаются попытки изменения физических и технологических свойств жаропрочных никелевых сплавов в твердом состоянии с помощью какого-либо воздействия на расплав перед кристаллизацией. В данной работе рассмотрены два вида воздействия на расплав с последующим получением монокристапыюго слитка: высокотемпературная обработка расплава (ВТОР) перед кристаллизацией и кристаллизация с использованием нанотехнологии, т.с. с введением в расплав ультрадиспсрсного порошка (УДП) карбонитрида титана. Применение такого типа воздействий на растыав приводит к существенному росту длительной прочности монокристалыгых образцов при 1000°С. Высокотемпературная обработка расплава нашла активное применение в промышленности. Однако наблюдаемые при таких воздействиях на расплав изменения ростовой структуры и совершенства кристаллического строения мопокристального слитка, морфологии и размеров частиц упрочняющей интсрмсталлидной фазы не столь значительны, чтобы в полной мере объяснить рост механических свойств в твердом состоянии. Среди факторов,
определяющих уровень длительной прочности таких монокристаллов, важное значение придается стабильности упрочняющей интсрмсталлидиой фазы, однако в литера1>рс практически отсугствуют данные экспериментальных исследований стабильности / в условиях высокотемпературного нагрева. В данной работе метод высокотемпературной рентгенографии использован дли сравнительной оценки стабильности структуры на монокристаллах, полученных при различных условиях кристаллизации.
Цель работы состояла в оценке термической стабильности структуры никелевых жаропрочных сплавов при нагреве и изотермических выдержках непосредственно в области рабочих температур методами высокотемпературной рентгенографии высокого разрешения в вакууме на монокристаллах, полученных при различных условиях кристаллизации, и сравнении рентгеновских данных с уровнем механических свойств.
Результаты рентгеновских исследований рассматриваются в комплексе с данными металлографических и электронно микроскопических исследований, данными измерения
электросопротивления и ДТА.
Научная новизна.
1. Проведены высокотемпературные рентгеновские исследования непосредстветпю в вакуумной камере дифрактометра монокристалъных образцов жаропрочных никелевых сплавов и предложена интерпретация полученных результатов, включая разделение рентгеновских отражений от отдельных фаз сплава с учетом развития процессов растворения упрочняющей ннтерметаллидной фазы в сплаве в области рабочих температур. Развито представление о расслоении твердого раствора при частичном растворении упрочняющей шгтсрмсталлидной фазы при нагреве до 1000°С и выше. Расслоение сохраняется при длительных изотермических выдержках образцов и должно учитываться при описании эволюции структуры сплава в данной температурной области.
2. На основе предложенной методики проведена сравнительная оценка стабильности структуры при нагреве и длительных изотермических выдержках монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов, полученных при различных условиях кристаллизации.
3. Предложенный рентгеновский метод совместно с измерениями электросопротивления позволил провести изучение кинетики упорядочения интермегаллидной упрочняющей у'-фазы на основе МэА] в составе сложнолегированного жаропрочного никелевого сплава и оценить температурные пределы существования упорядоченного состояния у'-фазы.
4. Предложенный рентгеновский метод впервые позволил наблюдать
2
эффекты свсрхструктурмого сжатия кристаллической решет ки интерметал-лидной упорядоченной фазы на основе №зА1 в составе жаропрочного никелевого сплава.
Практическое значение. Предложена интерпретация результатов высокотемпературных рентгеновский исследований, что позволило использовать этот метод для сравнительной оценки стабильности структуры монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов в интервале рабочих температур как при непрерывном нагреве, так и при длительных изотермических выдержках.
Углубление представлений о процессах, происходящих в условиях нагрева непосредственно в области рабочих температур жаропрочных никелевых сплавов открывает возможности повышения эксплуатационных свойств изделий из таких сплавов в условиях высокотемпературного нагружения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на Х1У-Й Уральской школе металловедов-термистов. Ижевск, 1998 г.; на 4-м Собрании металловедов России, Пенза, 1998 г.; на XV Уральской школе металловедов-термистов, Екатеринбург, 2000 г. и в качестве одного из основных достижений Института физики металлов УрО РАН на Научной сессии по итогам 1996.
Результаты опубликованы в пяти статьях в ФММ и тезисах четырех докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 116 страницах, включая 61 рисунок и 14 таблиц. Список цитируемой литературы включает 102 наименования.
ГЛАВА 1.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.
1.1. Термическая стабильность структуры жаропрочных сплавов.
Монокристаллом в широком понимании принято называть однородный кристалл без межзсренных границ, имеющий непрерывную кристаллическую решетку и характеризующийся анизотропией свойств. Кристаллизация никелевых жаропрочных сплавов заканчивается получением монокристальной отливки, но далее при охлаждении монокристалла сплав испытывает фазовые превращения, причем новые фазы сплава связаны с исходной фазой ориентационными соотношениями. В результате монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов представляют собой сложную неоднофазную систему, .микроструктура в разных участках кристалла различна. Однако такой кристалл лишен болыпеугловых границ и в отношении целого ряда физических свойств, прежде всего - механических, при определенных условиях он ведет себя как монокристалл в точном смысле этого слова [1].
Структура никелевых жаропрочных сплавов состоит из у-твердого раствора на основе никеля, упрочняющей дисперсной фазы на основе интерметаллического соединения №/41 (у'-фаза), объемная доля которой доходит до 70%; и карбидной фазы (< 2 об. %). /-фаза и у-твердый раствор изоморфны (ГЦКХ когерентны, параметры кристаллической решетки этих фаз близки [2].
Характерной особенностью упорядоченного соединения N1/41 является его способность растворять практически все переходные элементы в различном сочетании. Это свойство описывают в терминах компенсационного изоморфизма, приводящего при образовании сложнолегированного соединения на основе №зА1 к сохранению высокой степени порядка и координации структуры Ы2 вплоть до температуры плавления [3-4].
Целый ряд работ посвящен выяснению вопроса, в какую из гюдрешеток соединения №у\1 войдет при легировании тот или иной элемент [5, 6]. В ГЦК решетке соединения МэА! различают две позиции атомов: в центре граней - подрешетка никеля и в углах - подрешетка алюминия. В настоящее время для типичных легирующих элементов никелевых жаропрочных сплавов установлено, что N6, V, V/, Тл преимущественно входят в подрешетку алюминия, а Со - в подрешетау никеля. Сг может входить в обе подрешетки.
По величине стабилизирующего эффекта элементы одной группы таблицы Менделеева (П и НС N1? и Мо) оказывают близкое влияние, а с увеличением номера группы [валеншести) легирующего элемента
4
устойчивость у'-фазы (если оценивать ее по скорости сублимации и по диффузии) возрастает: вольфрам (VI группа) сильнее стабилизирует интерметаллид, чем ниобий (V группа), и значительно сильнее, чем гитан (IV группаХ т.с. чем выше число участвующих в связи элементов МуМ [7].
Значение электронного фактора (среднее значение плотности валентных электронов) играет существенную роль в стабильности интсрмсталлидной фазы на основе №*М [8]. Как показано в [3-4], химический состав у'-фазы формируется таким образом, что среднее значение плотности валентных электронов в любом сочетании легирующих элементов отвечает электронной плотности нелегированного соединения №%А1 в области его гомогенности на двойной диаграмме состояния системы Мт-А1 (Е “ 8,25). Наиболее устойчивому состоянию у'-фазы соответствует значение электронной плотности Е в пределах от 8,09 до 8,37. В химическом составе интерметаллидной фазы сложнолегированного никелевого сплава концентрация хрома как элемента, способного входить в обе подрешегки сплава, является своего рода регулятором значения электронного фактора [4].
Фазовая и структурная стабильность существенным образом определяют долговечность и надежность работы изделий из жаропрочных сплавов [9]. Термическая стабильность определяется совокупностью термодинамических, кинетических и струтсгурных факторов. К термодинамическим факторам гетерофазной системы относится свободная энергия Г иббса, которая для стабильного соегояния минимальна. Скорость приближения системы к равновесному состоянию зависит от кинетических параметров, в первую очередь, от диффузионных характеристик. Чем медленнее диффузия элементов в сплаве, тем он стабильнее и с меньшей скоростью приближается к равновесию или отклоняется от него.
Теоретические оценки свободной энергии системы чаще всего оказываются приближенными. Поэтому получили развитие полуэмпиричсские н эмпирические методы и различные корреляции, например, между прочностью связи и такими термодинамическими характеристиками, как теплота сублимации, теплота и температура плавления, упругие констаттты, среднеквадратичные смешения атомов. Дсбасвская температура [7].
Многокомпонентные диаграммы состояния позволяют предсказать фазовые равновесия и возможные изменения количества и состава этих фаз в зависимости от температуры. На рис. 1.1 представлена схема политермического сечения многокомпонентной диаграммы состояния жаропрочного сплава в координатах: температура <-* сумма концентраций /-образующих элсмстгтов [9]. Для сплава состава I при повышении температуры от комнатной до ^.р растворимость у'-фазы в у твердом растворе отсутствует и сс объемная доля остается постоянной. Начиная с
5
Схематическое изображение участка пссвдобинарной диаграммы N1
2А1, Тк Та, НС N6 [9].
Рис. 1.1.
Зависимость количества /-фазы в равновесном состоянии от суммарного содержания -/-образующих элементов [9].
в?
X
2
6
- Київ+380960830922