CC BY
174
УДК 5З9.З
СТРУКТУРА ПЛОСКИХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, АРМИРОВАННЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫМИ СЛОЯМИ
© М.И. Карпов, В.П. Коржов1*, В.М. Кийко1*, А.Н. Некрасов2'
^ Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Россия 2) Институт экспериментальной минералогии РАН, г. Черноголовка, Россия, e-mail: korzhov@issp.ac.ru
Ключевые слова: диффузионная сварка; композит; интерметаллид; система Ni-Al; реактивная диффузия. Микрокомпозиты Ni/Al получались диффузионной сваркой многослойных пакетов под давлением. Образование интерметаллидов Ni3Al и NiAl наблюдалось при последующей термообработке в результате реактивной диффузии.
Введение. Никель и алюминий образуют два интерметаллических соединения №3А1 и №А1. Первый из них является основной упрочняющей фазой жаропрочных никелевых сплавов, которые используются для изготовления ответственных деталей и узлов, работающих в условиях высоких температур и силовых нагрузок. Он обладает положительной зависимостью напряжения течения. Этот эффект проявляется только в сплавах с дальним атомным порядком, или, другими словами, со сверхструктурой.
Моноалюминид никеля №А1 образуется конгруэнтно при ~1640°С. В №-сплавах, богатых алюминием, после закалки происходит мартенситное превращение, обеспечивающее в №А1 обратимый эффект памяти формы [1]. Необходимость повышать рабочие температуры деталей авиационных двигателей, работающих в экстремально горячих условиях, инициировала разработку жаропрочных сплавов на основе №А1 как более тугоплавкого и легкого (плотность - 5,9 г/см2), чем №зА1, и не нуждающегося в защите от окисления. Исчерпывающую информацию о сплавах системы №-А1 можно найти в недавно вышедшей монографии [2].
Целью настоящей работы является проверка и исследование возможности получить многослойный
композит, состоящий из пластичной №-матрицы, армированной слоями №3А1 или №А1. В случае положительных результатов никель можно заменить деформируемыми никелевыми сплавами.
Эксперимент. Плоские многослойные микрокомпозиты №/А1 получали диффузионной сваркой пакетов под давлением 15-20 МПа в течение 1 ч при температурах, не превышавших температуру плавления алюминия. Пакет собирался из 12-20 N1- и 11-19 (на одну меньше) А1-фольг. Толщина никелевой фольги составляла обычно 0,1 мм, толщина алюминиевой фольги могла изменяться от 10 мкм до 0,1 мм. Интерметаллиды образовывались при термической обработке композитов.
Так выглядит поперечное сечение композиты непосредственно после диффузионной сварки (рис. 1). Микроструктурные исследования проводились с помощью растровой электронной микроскопии. Поэтому слои никеля, как более тяжелого элемента, выглядят светлыми, А1-слои - темными.
Видно, что уже после диффузионной сварки на границе между слоями образуется слой толщиной ~2 мкм (рис. 1, б). По данным локального рентгеноспектрального анализа этот слой идентифицируется как интерме-таллид №3А1.
SEUMAOOOOta V*w l«W вв 29 urn 20 um ,
Ncvmov Ot BSE 3*t«c*x RSMA Group ICMRAs|
Рис. 1. Микроструктура композита М/А1 после диффузионной сварки при относительно малом (а) и большом (б) увеличениях
Рис. 2. Микроструктура диффузионной зоны в композите №/А1 после термообработки при 800 °С без давления (слева) и 1000 °С
под давлением ~5 МПа (справа)
lOOjJiri 1 NiAI2_1-1-1
Рис. 3. Микроструктура композита №/А1 после термической обработки по режиму: 600 °С/2 ч + 1100 °С/30 мин
После термообработки при 800 °С (рис. 2, слева) между никелем и алюминием образуется диффузионная зона, состоящая из слоя №зА1 (точки 4 и 8), слоя из №А1 (точки 3 и 9) и слоя интерметаллидов №зА1 (точки 1, 2, 10 и 11). Образец термообрабатывался, находясь в свободном состоянии, поэтому на месте алюминиевого слоя после образования интерметаллидных слоев из-за уменьшения объема образовывались пустоты. Но приложение к образцу даже небольшого давления (~0, 7 МПа) резко уменьшало зону пустот (рис. 2, справа). Термообработка в таком состоянии при 1000 °С приводила к образованию диффузионной зоны из слоя интерметаллида №Л1 (точки 3 и 4) толщиной около 30 мкм и двух слоев из №5А1з толщиной ~16 мкм (точки 2 и 5), граничащих с чистым никелем (точки 1, 6 и 7).
И, наконец, на рис. 3 показана микроструктура композита, составленного из 20 N1- и 19 А1-фольг с начальной толщиной соответственно 0,1 и 0,05 мм
после термообработки под давлением ~8З0 МПа в вакууме по режиму: 600°С/2 ч + 1100°С/З0 мип. Объемное соотношение никеля и алюминия в этом композите было подобрано так, чтобы в конечном итоге в качестве армирующей составляющей оставался только ин-терметаллид №зЛ1. Материал имел слоистую структуру, состоящую из чередующихся интерметаллидной №ЗА1-фазы (точки 2, 3 и 10) и твердого раствора алюминия в никеле (точки 1, 4-7, 11 и 12) с содержанием алюминия до 15 ат.%. Кроме этих двух составляющих присутствовали остатки интерметаллидной №5АІЗ-фазьі (точки 8 и 9).
Вывод. Представленные данные и, в частности, результат последнего эксперимента, заключающийся в получении композиционного материала, состоящего из матрицы достаточно прочного, но, вместе с тем, пластичного твердого раствора алюминия в никеле, и упрочняющей интерметаллидной №ЗА1-фазы, дает повод надеяться получить материал па основе NiAl-сплавов с более тугоплавкими интерметаллидными фазами, такими как NiAl и №зЛ1.
ЛИТЕРАТУРА
1. Smialek J.L., Hehemann R.F. Transformation temperatures of marten-site in р-phase Ni-Al // Metall. Trans. 1973. V. 4. P. 1571-1575.
2. Колобов Ю.Р., КабловЕ.Н., Козлов Э.В., Конева Н.А., Поварова К.Б., Грабовецкая Г.П., Бунтушкин В.П., Базылева О.А., Мубо-яджян С.А., Будиновский С.А. Структура и свойства интерметал-лидных материалов с нанофазным упрочнением. М.: Издательский Дом МИСиС, 2008, З28 с.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Karpov M.I., Korzhov V.P., Kiiko V.M., Nekrasov A.N. Structure of plane composites on nickel base reinforced by inter-matallic layers.
Ni/Al-microcomposites were produced by diffusion of welding of multilayered packets at pressure. A formation of N13AI and NiAl intermatallic compounds were observed at later heat treatment as a result of reactive diffusion.
Key words: diffusion welding; composite; intermatallic compounds; Ni-Al system; reactive diffusion.
