Связь структуры и магнитных свойств сплава на основе Ni 3Al Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Давыдов Д.И., Шишкин Д.А., Красноперова Ю.Г., Терентьев П.Б. ©

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов Уральского отделения РАН им. М.Н. Михеева, Екатеринбург

СВЯЗЬ СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ СПЛАВА НА ОСНОВЕ NisAl

Аннотация

Изучены изменение структуры и магнитных свойств жаропрочного никелевого сплава ЧС-70 после высокотемпературной деформации. Образцы вырезаны из различных участков турбинной лопатки после длительной эксплуатации при 880 С. В участках с наибольшим уровнем напряжений наблюдалось изменение магнитных свойств, связанное с появлением ферромагнитных кластеров в исходно парамагнитной матрице.

Ключевые слова: структура, деформация, магнитные свойства, дефекты упаковки, жаропрочные сплавы.

Keywords: structure, deformation, magnetic properties, stacking faults, superalloys.

Появление деформационно-индуцированного ферромагнетизма после высоких степеней деформации (более 40 %) отмечено для целого ряда интерметаллических соединений: Fe3Al, FeAl, CoAl, CoAl, CoGa, Ni3Sn, Fe3Ge2, Pt3Fe, Co3Ti [1, 425]. До деформации все эти интерметаллиды были однофазны и находились в парамагнитном состоянии, после деформации в них было обнаружено суперпарамагнитное состояние. Это явление наблюдалось, в том числе, в Ni3Al и в жаропрочных никелевых сплавах. Характерной особенностью таких экспериментов является то, что деформация всегда проводилась при комнатной температуре.

Интерметаллическое соединение Ni3Al имеет упорядоченную ГЦК решетку, относится к структурному типу L12 и является слабым ферромагнетиком с температурой Кюри Тс=41К [2, 149]. Легирование Ni3Al третьим элементом, например, железом, может повышать значение Тс. Никелевые жаропрочные сплавы сложнолегированы и структурно состоят из твердого раствора на основе никеля (g-фаза, ГЦК), упрочняющей g’-фазы (Ni3Al) и небольшого количества карбидов.

Каждый сплав имеет предельное значение рабочей температуры. Работа изделий по стандартному режиму (на 50-100°С ниже предельной температуры) в течение всего срока эксплуатации не сопровождается изменением магнитного состояния. Сплавы при температурах выше комнатной находятся в парамагнитном состоянии и имеют низкое значение магнитной восприимчивости c=2-10-4.

В [3, 332] нами впервые наблюдалось увеличение магнитной восприимчивости никелевого жаропрочного сплава после его высокотемпературной деформации. Магнитная восприимчивость c менялась от значения 2-10-4 в исходном состоянии до 360-10-4, так, как если бы появился ферромагнитный вклад в намагниченность образца.

Целью данной работы является изучение явления деформационно-индуцированного ферромагнетизма в жаропрочном никелевом сплаве с упрочняющей фазой на основе интерметаллида Ni3Al после длительного нагружения при высоких температурах.

Образцы были вырезаны из различных участков турбинной лопатки из сплава ЧС-70 после ее эксплуатации в промышленных условиях по экспериментальному режиму при повышенной температуре относительно стандартного режима (до 880°С по сравнению с 800°С). Предельной температурой эксплуатации является 900°С. Лопатка стояла на

© Давыдов Д.И., Шишкин Д.А., Красноперова Ю.Г., Терентьев П.Б., 2015 г.

промышленной энергетической газотурбинной установке в течение 9000 ч (13 месяцев). Химический состав сплава приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав образца сплава ЧС-70 (масс. %) по данным микрорентгеноспектрального

анализа, основа никель

C Cr Mo Nb Ti Al W Co Fe

0,10 15,4 1,5 0,25 5,0 3,5 3,6 10,6 0,8

Для оценки исходного состояния использован образец после стандартной термообработки: ступенчатый отжиг 1170°С, 4 ч; охлаждение с печью; 1050°С, 4 ч, охлаждение на воздухе; 850°С, 16 ч (ТУ 14-1-3658-83).

Для измерений намагниченности образца был использован вибрационный магнитометр LakeShore 7407. Измерения проведены в магнитных полях до 17 кэВ температурном диапазоне от комнатной температуры до 1000°С в инертной атмосфере на частоте 82 Гц, амплитуда вибраций составляла 1,5 мм. Относительная погрешность измерений не более 1 %. Исследования структуры проведены в Испытательном центре нанотехнологий и перспективных материалов ИФМ УрО РАН с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEM-200CX.

Литая поликристаллическая лопатка из сплава ЧС-70 состоит из массивного замка и тонкого пера. Распределение напряжений в работающей лопатке неоднородно и подробно описано, например, в [4, 226]. В процессе эксплуатации замок подвергается в основном термическому воздействию, тогда как перо оказывается одновременно под действием растягивающих напряжений из-за центробежной силы и в условиях малоцикловой усталости из-за вибрации. Напряжения максимальны в спинке пера (выпуклая часть) вдоль оси растяжения.

Неоднородность в распределении напряжений приводит к тому, что в различных участках лопатки структурное состояние различно, это видно на рис. 1.

Рис. 1 - Структура лопатки из сплава ЧС-70: а, б - структура пера лопатки после деформации, в -дефекты упаковки в частицах упрочняющей интерметаллидной фазы, спинка пера; г - замковая часть. а - светлопольное изображение, б-г - темнопольное изображение в рефлексе g -фазы.

В пере лопатки повышена плотность дислокаций, сосредоточенных в основном в участках твердого раствора; дефектов внутри частиц упрочняющей фазы не наблюдается (рис. 1.а). В то время, как в спинке пера (выпуклая часть), в области максимальных напряжений, кроме высокой плотности дислокаций наблюдается большое количество дефектов упаковки внутри частиц У-фазы (рис. 1.б-в). То, что дефекты упаковки принадлежат именно интерметаллиду, хорошо видно потому, что контраст от дефектов упаковки присутствует на темнопольных изображениях, снятых в рефлексе интерметаллида так, как это видно на рис. 1.в. В замковой части лопатки происходит вызванная термическим воздействием коагуляция упрочняющей фазы (рис. 1 .г)

Результаты измерения полевой зависимости намагниченности М(Н) на тех же образцах приведены на рис. 2. Они коррелируют как с уровнем напряжений, так и с количеством дефектов кристаллической структуры в различных частях детали.

Рис. 2 - Магнитные свойства образцов сплава ЧС-70, вырезанных из различных частей турбинной лопатки: а - полевая зависимость намагниченности М(Н), б - центральная часть петли

гистерезиса.

1 - исходный; 2 - замковая часть; 3 - вогнутая часть пера; 4 - спинка пера.

У образца, вырезанного из замка лопатки, зависимость М(Н) линейна и практически совпадает с М(Н) для исходного (без деформации) образца сплава ЧС-70. При комнатной температуре эти образцы находились в парамагнитном состоянии. Для образцов, вырезанных из лопатки в области спинки пера, зависимость М(Н) имеет характер кривой с насыщением, значения намагниченности существенно выше, чем в исходном состоянии. Имеет место

узкий гистерезис, площадь которого увеличивается одновременно с ростом намагниченности насыщения (рис. 2. б).

Температурная зависимость магнитной восприимчивости в переменном магнитном поле приведена на рис. 3. Можно видеть, что после эксплуатации по экспериментальному режиму на кривой кроме основного пика, связанного с температурой Кюри основного сплава, появляется второй пик вблизи 280 K.

Рис. 3 - Зависимость магнитной восприимчивости в переменном магнитном поле от температуры для образца, вырезанного из спинка пера турбинной лопатки

Если обратиться к результатам исследования появления ферромагнитного вклада в намагниченность при деформации высокой степени для различных интерметаллидов, можно убедиться в том, что нигде это явление не связывают с появлением в сплаве новой фазы. Поэтому для описания структурного объекта, ответственного за появление ферромагнитных свойств, в литературе используется термин «магнитный кластер» [1, 425]. Существенным является то, что ответственное за возникновение ферромагнетизма обменное взаимодействие может возникнуть только в объеме, отдельная дислокация не может быть носителем магнетизма, также как и отдельный плоский дефект.

В нашем случае появление ферромагнитных свойств происходит локально, в области максимальных напряжений вдоль оси пера лопатки, и связано, по-видимому, с появлением дефектов внутри частиц интерметаллидной фазы. При стандартном режиме, сколько бы дефектов не возникало внутри областей твердого раствора, дефекты внутри частиц g-фазы отсутствуют в течение всего периода эксплуатации, при этом у сплава не наблюдается появления каких-либо ферромагнитных свойств. Условием длительной

высокотемпературной эксплуатации изделий из жаропрочного сплава является его стабильность по отношению к фазовым превращениям. Единственное превращение, которое имеет место, это карбидная реакция замещения исходных карбидов МеС карбидами Me23C6. Эти фазы парамагнитны.

Образующийся по мере работы детали на поверхности слой образован окислами Al2O3 и Cr2O3, которые также парамагнитны. Сплав специально легирован так, чтобы замедлить развитие диффузии. Нами с помощью рентгеновского микроанализа подробно проанализировано возможное перераспределение химических элементов в результате длительной работы детали из сплава ЧС-70 по экспериментальному режиму при повышенной температуре (880°С). В центральной зоне пера концентрация элементов практически совпадает с эталонной. При этом на внешней поверхности в зоне спинки пера можно отметить повышение содержания железа, присутствующего в составе сплава в виде примеси: от исходных 0,8 в среднем по образцу до 5,7 масс. % на поверхности. Содержание

кобальта (от 10,6 до 15,5%) и титана (от 5,0 до 14,5%). Концентрация вольфрама и хрома в зоне спинки снижена, от 3,6 до 2% и от 15,4 до 5,2%, соответственно. Содержание никеля (основы) также снижено более чем в два раза. В результате локально, в зоне спинки пера основной окисел Cr2O3 заменяется на окислы, имеющие структуру типа шпинели AB2O4, к которым относятся окислы железа Fe3O4 или Fe2TiO4 и кобальта Co3O4 или CoFe2O4, все они ферромагнитны.

Поскольку основной интерес представляет состояние самого материала лопатки, образцы для магнитных измерений вырезали так, чтобы не задеть приповерхностный слой с измененным составом. В результате можно убедиться в том, что появление ферромагнитного вклада в намагниченность не исчерпывается образованием окислов на поверхности лопатки.

Остается открытым вопрос о том, как можно представить себе магнитный кластер. Если верно утверждение, что Ni3Al является зонным ферромагнетиком [2, 149], то никакое воздействие не может изменить его магнитных свойств, пока кристаллическая решетка остается кубической. С другой стороны можно представить себе формирование в результате высокотемпературной деформации тетрагональных объектов в результате периодического расположения дефектов упаковки внутри интерметаллидной фазы Ni3Al. Такой участок в равной мере можно рассматривать как дефектный участок исходной кубической решетки Ni3Al, или как дисперсное включение метастабильной длиннопериодной фазы, например, D022. Доказать присутствие такой фазы в образцах сплавов на основе Ni3Al после деформации структурными методами пока не удалось. Хотя такого рода предположения высказывались, например в [5, 101].

Таким образом, длительная эксплуатация турбинной лопатки из сплава ЧС-70 по экспериментальному режиму с повышенным уровнем рабочих температур привела к появлению ферромагнитных свойств у исходно парамагнитного материала в участке детали с максимально высокими напряжениями. Значения намагниченности насыщения,

определенные на образцах, вырезанных из различных частей лопатки, коррелируют с количеством дефектов кристаллического строения.

Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема «Диагностика» № 01201463329) при частичной поддержке РФФИ (проект № 14-03-31499).

Литература

1. Q. Zeng, I. Baker - The effect of local versus bulk disorder on the magnetic behavior of stoichiometric Ni3Al Intermetallics. - 2007. - V. 15. - P. 419-427.

2. A.V. Korolev, N.I. Kourov, S.Z. Nazarova, et. al. - Transition from itinerant electron magnetism to localized spin magnetism in Ni3Al1-yMny alloys // Solid State Phenomena. - 2011. - V. 168-169. - P. 149-152.

3. Н.Н. Степанова, Д.И. Давыдов, А.Н. Ничипурук и др. - Структура и магнитные свойства никелевого жаропрочного сплава после высокотемпературной деформации // ФММ. - 2011. - Т. 112. - С. 328-336.

4. A.K. Ray, S.R. Singh, J. Swaminathan, P.K. Roy, Y.N. Tiwari, S.C. Bose, R.N. Ghosh - Structure Property Correlation Study of a Service Exposed First Stage Turbine Blade in a Thermal Power Plant// Materials Science and Engineering, A. - 2006. - V. 419. - P. 225- 232.

5. Н.В. Казанцева, Б.А. Гринберг, Е.В. Шорохов, А.Н. Пирогов, Ю.А. Дорофеев - Фазовые

превращения в никелевом суперсплаве после ударно-волнового нагружения // ФММ. - 2005. - Т. 99. -- № 5. - С. 94-103.