ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ σ-ФАЗЫ В СИСТЕМЕ CO-CR-NI-V ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 800°С Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 669.011.17

ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ст-ФАЗЫ В СИСТЕМЕ Co-Cr-Ni-V ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ 800°С

Е.Г. Кабанова, Г.П. Жмурко, В.Н. Кузнецов, А.В. Леонов

(кафедра общей химии; e-mail: kabanova@general.chem.msu.ru)

В настоящей работе с использованием микроструктурного, рентгенофазового и локального рентгеноспектрального методов анализа проведено исследование фазовых равновесий в системе Co-Cr-Ni-V при температуре 800°С. Построены сечения изотермического тетраэдра с постоянным содержанием ванадия 10 и 20 ат. %.

Сплавы на основе никеля и кобальта, легированные хромом и ванадием, находят широкое применение в качестве жаропрочных конструкционных материалов. Однако в процессе длительной эксплуатации в этих сплавах при высокой температуре из гомогенного твердого раствора возможно выделение о-фазы, обладающей высокой хрупкостью и твердостью, и как следствие резкое изменение физико-механических характеристик сплавов. Поэтому изучение свойств, условий образования и границ существования о-фаз в многокомпонентных металлических системах представляет значительный практический интерес. В настоящей работе область существования о-фазы изучали в четырехкомпонентной системе Со-Сг-№-У при температуре 800°С и содержании ванадия 10 и 20 ат.%.

Двойные и тройные системы, ограничивающие четырехкомпонентную систему Со-Сг-М-У, изучены достаточно подробно [1-10]. Во всех тройных системах при температуре, близкой к 800°С, реализуются фазовые равновесия с участием у-твердого раствора с ГЦК структурой на основе кобальта и никеля, Р-твердого раствора с ОЦК структурой на основе Сг и V, а также о-фазы. В тройных системах Со-Сг-У и Со-№-У области существования о-фаз простираются от стороны Со-У до стороны Со-Сг [8] и №-V [9] соответственно; в системе Со-Сг-№ область гомогенности о-фазы проникает в тройную систему от стороны Со-Сг до 18 ат.% никеля [7], в системе Сг-№-У от стороны №-У до 32 ат.% хрома [10]. При содержании ванадия более 20 ат.% в фазовых равновесиях принимают участие интерметалические соединения Со3У, №3У и №2У Однако области гомогенности этих соединений в тройных системах очень невелики [9, 10].

В настоящей работе изучены и построены два сечения изотермического тетраэдра Со-Сг-№-У с

постоянным содержанием ванадия 10 и 20 ат.%. Для этой цели было синтезировано 16 и 24 сплава соответственно. Поскольку основной интерес в настоящем исследовании уделялся фазовым равновесиям с участием ст-фазы, составы синтезируемых сплавов выбирались вблизи ее предполагаемой области гомогенности. Сплавы выплавляли в электродуговой печи в атмосфере очищенного аргона, а затем отжигали при температуре 800°С в течение 1200 ч с последующей закалкой в холодную воду. Полученные образцы исследовали с помощью микроструктурного, рентгено-фазового и локального рентгеноспектрального методов анализа.

Рентгенофазовый анализ проводили на дифракто-метре "ДРОН-4" с использованием Си£Га-излучения. Расшифровку полученных рентгенограмм и расчет параметров элементарных ячеек фаз проводили с помощью программы STOE. Результаты рентгенографического исследования представлены в табл. 1.

Методом локального рентгеноспектрального анализа были исследованы сплавы, принадлежащие областям двух- и трехфазных равновесий. Составы фаз определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа "JSM-820" ("JOEL") с энергодисперсионной приставкой AN 10/85S ("LINK"). Ускоряющее напряжение на катоде 15 кВ. В качестве аналитических использовались следующие линии характеристического излучения: А"а(Со), ^р(Сг), ^a(Ni) и ^ß(V). Обработка результатов проводилась по программе ZAF. Результаты локального рентгеноспектрального анализа представлены в табл. 2. В некоторых случаях составы всех равновесных фаз определить не удалось из-за их малого содержания и мелкозернистой структуры. Поэтому надежно были установлены только составы ст-фазы и определены направления конод двухфазных равновесий. Следует отметить, что в четвер-

ной системе равновесные составы фаз не всегда находятся в плоскости сечения.

Характер фазовых равновесий в системе №-Со-Сг-У с содержанием ванадия 10 и 20 ат.%, установленный с помощью рентгенофазового и локального рентгеноспектрального методов анализа, подтвердили исследования микроструктуры. Микроструктуру сплавов изучали на микроскопе "Versamet-2" при увеличении в 150-600 раз. Для выявления фазового контраста применялось химическое травление поверхности образцов.

Сечения изотермического тетраэдра Со-Сг-№-У с содержанием ванадия 10 и 20 ат.% представлены на рисунке. При содержании 10 ат.% ванадия сечение в целом аналогично строению тройной системы Со-Сг-№ при 800°С, установленному ранее [7]. Оно характеризуется обширной областью у-твердого раствора на основе кобальта и никеля, введение ванадия приводит к некоторому увеличению области гомогенности о-фазы в четырехком-понентной системе, максимальная растворимость никеля в ней соответствует 20,5 ат.%. Направлена область гомогенности о-фазы к метастабильной о-фазе грани Сг-№-У.

Растворимость Со и N1 в ОЦК-фазе незначительна. Как видно из результатов рентгенофазового анализа (табл. 1), параметры решетки ОЦК-фазы во всех двухфазных и трехфазных образцах остаются практически постоянными и близкими к значению периода решетки чистого хрома (2,8888 А).

а

Положение трехфазной области, соответствующей равновесию ОЦК+ГЦК+о, установлено с учетом соотношения интенсивностей реперных линий на рентгенограммах трехфазных образцов Со135Сг54№22 5, Со135Сг58 5№18 и Со9Сг63М18 и по определенной локальным рентгеноспектральным анализом растворимости никеля в о-фазе (табл. 2).

Сечение системы Со-Сг-№-У при содержании ванадия 20 ат.% представлено на рисунке б. В области, богатой хромом, оно аналогично сечению при содержании ванадия 10 ат.%. ОЦК-твердый раствор имеет незначительную область гомогенности: параметры решетки ОЦК-фазы близки к параметрам решетки соответствующих сплавов системы Сг-У. Растворимость никеля в о-фазе достигает ~27 ат.%. На сечении системы Со-Сг-№-У при 20 ат.% ванадия присутствует также протяженная область гомогенности у-фазы с ГЦК-структурой, которая проникает в четырехкомпонентную систему со стороны Сг-№-У до 50-55 ат.% Со. По результатам рентгенофазового анализа сплавов Со20Сг15№45У20 и Со50Сг15№15У20 можно судить о глубине проникновения ГЦК-фазы в изотермический тетраэдр при содержании ванадия 20 ат.%. Рентгенограммы этих образцов были идентичны и содержали по две системы отражений: наиболее интенсивные линии на них соответствовали симметрии гранецентрирован-ной кубической структуры. Присутствие второй фазы о определялось по наличию очень слабых рефлексов ее реперных линий.

б

Сечения четырехкомпонентной системы Со-Сг-№-У при 800°С с постоянным содержанием

ванадия, ат.%: а - 10, б - 20

Т а б л и ц а 1

Фазовый состав и параметры решетки фаз

Состав сплава Фазов^1й состав ГЦК ОЦК а-фаза

а, А а, А а, А с, А

^СГбзМ^Ую ГЦК+ОЦК+а з,569(1) 2,88з(1) 8,814(1) 4,546(2)

Со9Сг58№22,5У1() ГЦК+ОЦК з,577(1) 2,888(1) - -

Со1з,5Сг54№22,5У10 ГЦК+ОЦК+а з,570(1) 2,888(1) 8,820(1) 4,5з8(1)

Со^С^М^Ую ГЦК+ОЦК+а з,567(1) 2,884(1) 8,819(2) 4,552(2)

Со1з,5СГбзК11з,5У10 ОЦК+а - 2,886(1) 8,820(2) 4,569(2)

Со^С^Щз^Уц) ОЦК+а - 2,88з(1) 8,818(2) 4,550(2)

Со^С^М^Ую ОЦК+а - - 8,806(2) 4,548(2)

Со^С^М^Ую ГЦК +а з,575(1) - 8,805(2) 4,54з(2)

Со22,5Сг54К11з,5У10 а-фаза - - 8,795(1) 4,549(2)

Со22,5СГбзК14,5Ую ОЦК+а - 2,885(1) 8,819(1) 4,549(1)

Со27Сг58,5К14,5У10 ОЦК+а - 2,885(1) 8,819(1) 4,550(1)

Со27СГ49К11з,5Ую а-фаза - - 8,786(1) 4,541(1)

Соз1,5Сг45К11з,5У10 ГЦК +а з,564(1) - 8,785(2) 4,5зз(1)

Соз^С^М^Уц, а-фаза - - 8,781(2) 4,5з8(1)

Со40,5СГ45К14,5У10 а-фаза - - 8,760(2) 4,5з7(2)

Со45СГ40,5К14,5У10 ГЦК +а з,564(1) - 8,77з(1) 4,544(1)

Со5Сг5К170У20 ГЦК+Ы1зУ з,559(1) №зУ з,54з(1) 7,202(4)

Со5СГ15№70У20 ГЦК з,554(1) - - -

Со5СГ25К170У20 ГЦК+ОЦК+а з,556(1) 2,890(1) очень мало

Со20СГ15К145У20 ГЦК +а з,574(1) - 8,801(1) 4,5з6(1)

Соз5Сг10К1з5У20 ГЦК+ СозУ з,570(1) СозУ 5,012(з) 12,18(2)

Со25СГ25Ы1з0У20 ГЦК +а з,559(1) - 8,828(з) 4,547(2)

Со20Сгз0№з0У20 ГЦК +а з,55з(1) - 8,8з2(1) 4,555(1)

Со10Сг40К1з0У20 ГЦК+ОЦК+а з,5247 2,894(2) 8,859(2) 4,554(1)

Со5Сг45К1з0У20 ГЦК+ОЦК+а з,52з(1) 2,8957 очень мало

Продолжение табл. 1

Состав сплава Фазовый состав ГЦК ОЦК а-фаза

а, А а, А а, А с, А

Со30СГ25№25У20 ГЦК +а 3,526(1) - 8,805(2) 4,560(2)

Со25СГ30№25У20 ГЦК +а 3,529(1) - 8,805(1) 4,556(2)

Со15СГ40№25У20 а-фаза - - 8,838(1) 4,557(1)

СОЮСГ45№25У20 ГЦК+ОЦК+а 3,558(1) 2,888(1) 8,834(1) 4,569(1)

CO5oCr15Ni15У2o ГЦК+ а 3,5524 - очень мало

CO4oCr25Nil5У2o ГЦК+ а 3,537(1) - 8,817(1) 4,549(1)

Со35&30№15У20 ГЦК+ а 3,542(1) - 8,811(2) 4,560(2)

CO25Cr4oNil5У2o а-фаза - - 8,822(1) 4,550(1)

CO2oCr45Nil5У2o ОЦК+а - 2,894(1) 8,835(7) 4,558(4)

COloCr55Nil5У2o ОЦК+а - 2,8957 8,841(1) 4,555(1)

CO7oCr5Ni5У2o ГЦК+ Со3У 3,5244 Со3У 4,979(1) 12,296

Со50&25№5У20 ГЦК +а 3,5296 - 8,802(1) 4,543(1)

CO40Crз5Ni5У20 а-фаза - - 8,804(2) 4,541(2)

COзoCr45Ni5У20 а-фаза - - 8,831(1) 4,551(1)

CO2oCr55Ni5У2o ОЦК+а - 2,894(1) 8,856(3) 4,563(1)

результатов рентгенографических исследований по разрезу Со3У - №3У, выполненных в работе [9]. Хотя авторы [9] ошибочно полагали, что указанные соединения образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов, при соотношении М:Со = 3:1 на кривых зависимости параметров решетки наблюдался резкий излом. Такая зависимость позволила предположить, что в этой области составов в действительности существует двухфазная область Со3У + №3У.

Таким образом, при сравнении сечений изотермического тетраэдра Со-Сг-М-У при содержании ванадия 10 и 20 ат.% видно, что увеличение содержания ванадия приводит к увеличению области существования о-фазы от 18 [7] до 27 ат.% N1.

Положение трехфазной области ОЦК + ГЦК + о было установлено по результатам локального рентге-носпектрального и рентгенофазового анализов трехфазных образцов Со5Сг25№70У20, Со10Сг40№30У20,

С°5Сг45№30У20 и СоюСг45№25У20.

В результате упорядочения у-твердого раствора на стороне Со80У20-№80У20 изоконцентрационного треугольника появляются области двухфазного равновесия у + Со3У и у + №3У.

Область, соответствующая трехфазному равновесию №3У + Ni2У + у, приведена на сечении с содержанием ванадия 20 ат.% ориентировочно, на основании результатов исследования тройной системы Сг-№-У [10]. Трехфазная область №3У + Со3У + у нанесена на изоконцентрационное сечение с учетом

Т а б л и ц а 2

Результаты локального рентгеноспектрального анализа сплавов системы Co-Cr-Ni-V

Состав сплава по шихте, ат.% Фазовый состав Состав фазы Состав фазы, ат.%

Co Cr Ni V Co Cr Ni V

Сплавы с содержанием ванадия 10 ат.%

13,5 54 22,5 10 ß+Y+a a-фаза 16,08 54,14 19,0 10,78

13,5 63 13,5 10 ß+ a a-фаза 16,13 54,33 17,24 12,3

22,5 63 4,5 10 ß+ a a-фаза 24,18 60,301 5,64 9,87

22,5 49,5 18 10 Y+a a-фаза 21,7 50,6 16,5 11,2

31,5 45 13,5 10 Y+a a-фаза 29,05 47,6 12,5 10,85

Сплавы с содержанием ванадия 20 ат.%

35 10 35 20 Co3V+Y Co3V 42,9 8,0 19,2 28,9

10 40 30 20 ß+Y+a a-фаза 11,4 39,7 27,1 21,8

30 25 25 20 Y+a a-фаза 25,1 35,7 20,8 18,4

35 30 15 20 Y+a a-фаза 34,0 34,5 12,9 18,6

ГЦК-фаза 35,4 18,3 23,1 22,2

20 55 5 20 ß+ a a-фаза 23,62 50,18 5,72 20,5

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. IshidaK., Nishizawa T. // Bull. Alloy Phase Diagrams. 1990. 11. P. 357.

2. Massalski T.B. // Binary Alloy Phase Diagrams. Ohio, 1986.

3. Smith J.F. // J. Phase Equilibria. 1991. 12. Р. 324.

4. Nash P. // Bull. Alloy Phase Diagrams. 1986. 7. Р. 465.

5. LeeB.-J. // Z. Mettalkde. 1992. 83. Р. 292.

6. Smith J.F., Carlson O.N., NashP.G. // Phase diagrams of binary nickel alloys / Ed. P. Nash. Ohio, 1986. Р. 361.

7. Жмурко Г.П., Кабанова Е.Г., Кузнецов B.H., Леонов A.B.I I Вест. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2008. 49. С.283.

8. Кузнецов B.H., Жмурко Г.П., Тойбаев Ж.Н. и др. II Вест. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2001. 42. С. 121.

9. Koester W., Sperner F. II Z. Metallkde. 1957. 43. P. 540.

10. Kodentzov A.A., Dunaev S.F., Slusarenko E.M. II J. Less-Common Met. 1987. 135. P. 15.

Поступила в редакцию 31.03.08

THE FIELD OF EXISTENCE OF THE ct-PHASE OF THE Co-Cr-Ni-V QUATERNARY AT 800°C

E.G. Kabanova, G.P. Zhmurko, V.N.Kuznetsov, A.V. Leonov

The field of existence of the a-phase and phase equilibria with its participation on the sections of the Co-Cr-Ni-V quaternary with 10 and 20 at. % V at 800°C were studied using metallography, XRD and EPMA.