Естественные и искусственные композиты – жаропрочные сплавы на основе ниобия Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 539.3

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ КОМПОЗИТЫ - ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

НА ОСНОВЕ НИОБИЯ

© М.И. Карпов, В.П. Коржов, Д.В. Прохоров

Ключевые слова: ниобий; алюминий; многослойные структуры; интерметаллид.

Приведены данные о структуре и механических свойства образцов сплава ЫЪ - 10 вес. % ЫЪ3А1, полученных методом порошковой металлургии - естественных композитов, и многослойных образцов, состоящих из чередующихся слоев ниобия и итерметаллида ЫЪ3А1, полученных методом диффузионной сварки и последующего отжига - искусственных композитов.

Одной из важных актуальных задач современного материаловедения является разработка новых более высокотемпературных жаропрочных сплавов для изготовления турбинных и сопловых лопаток газотурбинных двигателей для авиации и энергетики. Наиболее широко применяемые в настоящее время для этих целей никелевые суперсплавы имеют низкие температуры плавления —1400 °С. Это ограничивает их собственные максимальные рабочие температуры диапазоном 1100-1150 °С, а температуры газового потока в турбине областью 1300-1400 °С. В связи с необходимостью решения этой проблемы основное внимание исследователей в последние годы сосредоточено на разработке новых сплавов на основе эвтектик в системах ЫЪ - и Мо - [1-4], т. н. т 8Йи-композиты, или естественные

композиты. Высокие температуры плавления (1920 °С в системе ЫЪ - и 2020 °С в системе Мо - Б1) позволяют надеяться на разработку материалов, способных работать при собственной температуре 1350 °С.

Гораздо меньше внимания уделяется сплавам на основе системы ЫЪ - А1. Одной из причин этого является то, что в отличие от приведенных выше в этой системе двухфазная область ЫЪ - МЪзА1 в ниобиевом углу диаграммы формируется по перетектической, а не эвтектической реакции. Образцы двухфазных сплавов ЫЪ - МЪзА1 получали с использованием 2-х технологических приемов.

Исходными материалами были порошок из высокочистого ниобия, ленты из высокочистого ниобия и алюминия. Порошок интерметаллида КЪ3А1 получали путем размола слитков, полученных вакуумной индукционной плавкой во взвешенном состоянии. Порошковые смеси составов №3А1 + 10 % № получали размолом в планетарной мельнице в течение часа в среде ацетона. Смесь засыпали в графитовую форму и спекали под давлением 10,6 МПа в вакууме при температуре 1700 °С в течение 30 мин.

Искусственные многослойные композиты ЫЪ -ЫЪ3А1 получали следующим образом. Из чередующихся фольг из высокочистых ниобия толщиной 40 мкм и алюминия толщиной 10 мкм собирали пакет (всего 67 слоев). Полученный пакет помещали в вакуумный пресс и спекали по режиму: нагрев до 550 °С, выдержка 1 ч + нагрев до 1700 °С, выдержка 30 мин. под дав-

лением 6,25 МПа. Структуру изучали методом сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа. Кратковременную высокотемпературную прочность определяли по результатам испытания образцов на 3-точечный изгиб.

На рис. 1 показана структура образца №3А1 + 10 % ЫЪ - естественного композита, полученного методом порошковой технологии. Структура состоит из интерметаллида №3А1 - блоки серого цвета и твердого раствора на основе ниобия - прослойки на границах блоков интерметаллида. Структура также содержит поры размером от 0,5 до 2 мкм преимущественно в теле ин-терметаллидных блоков.

Сплав ЫЪ3А1 + 10 вес. % № имеет в своем составе 8 вес. % А1 и в соответствии с диаграммой состояния находится области существования фазы ЫЪ3А1 вблизи ее границы с двухфазной областью №3А1 - КЪ2А1.

После спекания его структура соответствует области фазовой диаграммы ЫЪ - ЫЪ3А1. Матричной фазой является твердый раствор, располагающийся в виде тонких прослоек по границам блоков интерметаллида.

Рис. 1. Структура образца ЫЪ3А1 + 10 вес. % Мз, спекание которого происходило под давлением. Серого цвета - интерметаллид Мз3А1. Белого цвета - твердый раствор на основе ниобия, черного цвета - поры

1805

Таблица 1

Высокотемпературная прочность образцов, структура которых показана на рис. 1

Образец Тисп. °С а, МПа

1400 135

Nb3Al + 10 вес. % Nb 1350 239

1250 321

Таблица 2

Высокотемпературная прочность многослойных образцов

Образец Тисп., °С а, МПа

1350 150

Многослойный композит 1300 300

1250 300

Рис. 2. Микроструктура многослойного материала, первоначально состоявшего из 33 ЫЪ- и 34 А1-фольг толщиной соответственно 40 и 10 мкм, после спекания

30-40 мкм. Внутри интерметаллида Nb3Al видны плоские островки интерметаллида Nb2Al толщиной 1-2 мкм и длиной до 15 мкм - продукты неполного превращения слоя алюминия в интерметаллид Nb3Al.

Механические свойства этих образцов показаны в табл. 2.

Многослойный образец после спекания сохранил (рис. 2) слоистую структуру. Первичные слои алюминия растворились в ниобии и образовали интерметал-лид Nb3Al также в виде слоев. Между слоями интерме-таллида расположены слои твердого раствора алюминия в ниобии. Такая структура на фазовой диаграмме соответствует области Nb - Nb3Al. В то же время по составу сплав содержит 7,3 вес. % Al, и это - область интерметаллида Nb3Al. Таким образом, по составу и по структуре этот сплав близок к сплаву Nb3Al + 10 вес. % Nb. Отличием является только упорядоченность структуры (слоистость) и отсутствие пор в многослойном образце. Последнее связано с тем, что в многослойном образце диффузия алюминия происходит из слоя алюминия, а не интерметаллида.

Механические свойства многослойного образца (табл. 2) находятся на том же уровне, что и образцов сплава Nb3Al + 10 вес. % Nb (табл. 1).

Показана принципиальная возможность получения композиционных материалов Nb3Al + Nb с помощью двух методов: порошковой металлургии, основанной на смешивании исходных порошков ниобия и интерме-таллида Nb3Al, и метода получения многослойного композита из исходных слоев ниобия и алюминия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Drawin S., Justin J.F. Advanced lightweight silicide and nitride dased materials for turbo-engint applicatons // The Onera Journal Aerospace-Lab. 2011. № 3. Р. 1-13.

2. Светлов И.Л. Высокотемпературные Nb - Si-композиты // Материаловедение. 2010. № 9. С. 29-38.

3. Светлов И.Л. Высокотемпературные Nb - Si-композиты // Материаловедение. 2010. № 10. С. 18-27.

4. Bewlay B.P., Briant C.L., Jackson V.R., Subramanian P.R. Recent advances in in-situ composites // 15-th International Plansee Seminar. Proceedings, 2001. V. 1. P. 404-419.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 11-02-00501) и Минобрнауки РФ (гос. контракт № 14.740.11.0145).

Механические свойства этих образцов представлены в табл. 1. Уровень достигнутой прочности достаточно высок. Однако все образцы при испытании на изгиб разрушались хрупко. Возможной причиной этого является малое количество пластичной фазы - твердого раствора на основе ниобия в структуре образцов. Эта проблема может быть решена увеличением объемной доли ниобия в композите.

На рис. 2 показана структура композитного многослойного образца. Характерным является чередование слоев твердого раствора на основе ниобия толщиной 7-10 мкм, и слоев интерметаллида Nb3Al толщиной

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Karpov M.I., Korgov V.P., Prokhorov D.V. NATURAL AND ARTIFICIAL COMPOSITES - HIGH-TEMPERATURE ALLOYS BASED ON NIOBIUM

The data on the structure and mechanical properties of the alloy samples Nb - 10 wt. % Nb3Al, obtained by powder metallurgy - natural composites, and multilayer specimens consisting of alternating layers of Nb and intermetallics Nb3Al, obtained by diffusion welding and subsequent annealing - artificial composites is given.

Key words: niobium; aluminum; multi-layered structure; in-termatallic.

1806