CC BY
59
Влияние легирования рением на деформационное поведение и механические свойства гетерофазных монокристаллов легированного жаропрочного сплава на основе №3А1
Г.П. Грабовецкая, Ю.Р. Колобов, В.П. Бунтушкин1, Э.В. Козлов2
1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Всероссийский институт авиационных материалов, Москва, 107005, Россия 3 Томский государственной архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия
Методами растровой электронной микроскопии изучены структура и фазовый состав монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА. Исследовано влияние легирования рением на деформационное поведение и температурную зависимость механических свойств монокристаллов в интервале температур 293-1373 К. Обсуждаются возможные физические причины изменения характера деформационного поведения легированных рением монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА в интервале температур 2931 073 К.
The effect of Re alloying on deformation behavior and mechanical properties of heterophase single crystals of doped high-temperature Ni3Al-based alloy
G.P. Grabovetskaya, Yu.R. Kolobov, V.P. Buntushkin, and E.V Kozlov
The structure and phase composition of single crystals<001> of VKHA-type alloy have been investigated by scanning electron microscopy. The effect of Re alloying on deformation behavior and temperature dependence of mechanical properties of above-mentioned single crystals in the temperature range of 293-1 373 K has been examined. Consideration are given to possible physical reasons of changing deformation behavior characteristics of Re alloying of single crystals <001> of VKHA-type alloy in the temperature range of 293-1 073 K.
1. Введение
Перспективными материалами для лопаток турбин
в настоящее время являются поли- и монокристаллы жаропрочных (у + у') никелевых сплавов с большой
объемной долей -фазы (интерметаллид №3А1) со сверх-
структурой L12. Такие сплавы обладают высокой жаропрочностью и могут длительное время функционировать при высоких температурах. Поликристаллические сплавы на основе №3А1 достаточно хорошо исследованы
[1, 2]. В частности установлено, что в таких материалах процессы деформации и разрушения при высокотемпературной ползучести локализуются на границах зерен. Это приводит к зарождению и диффузионно-контролируемому росту зернограничных клиновидных трещин
[3] при одновременном развитии проскальзывания по границам зерен [4]. Отсутствие границ зерен в монокристаллах указанных сплавов устраняет отрицательные последствия зернограничных процессов и позволяет су-
щественно улучшить эксплуатационные характеристики рассматриваемых сплавов.
В работах [5-7] показано, что в процессе деформации монокристаллов (у + у/)-сплавов при достижении касательными напряжениями в действующей системе скольжения критической величины зарождение скольжения имеет место на межфазных границах у/у'. Скольжение развивается вначале в у-фазе, а затем происходит прорезание частиц высокопрочной у'-фазы дислокациями. В дальнейшем с увеличением деформации скольжение развивается также и у'-фазе. При этом оно преимущественно локализуется в менее прочной у-фазе. Отсюда, чем меньше в объеме у-фазы, тем больше скольжения в -фазе и тем выше сопротивление деформированию монокристалла (у + у')-сплава. Другой способ увеличения прочности монокристаллов (у + у')-сплавов — легирование элементами, увеличивающими прочностные характеристики у- и у7-фаз.
© Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р, Бунтушкин В.П., Козлов Э.В., 2004
В настоящей работе проведено исследование влияния легирования рением на деформационное поведение и температурную зависимость механических свойств сложнолегированных монокристаллов сплава на основе Ni3Al.
2. Материал и методика испытаний
В качестве материала для исследования использовали монокристаллы <001 > сплава на основе Ni3Al, содержащего элементы Cr, Ti, W, Mo, Hf, C, суммарное количество которых не превышало 14 вес. % (сплав типа ВКНА).
Микроструктуру сплава исследовали с помощью растрового (Philips SEM 515) микроскопа. Фазовый состав определяли методами рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-2.
Механические испытания на растяжение проводили на модернизированной установке ПВ-3012М в интервале температур 293-1373 K со скоростью 3.3*10-3 с1. Образцы для механических испытаний в форме двойной лопатки с размерами рабочей части 10x2.5x1 мм вырезали электроискровым способом. Перед испытанием с поверхностей образцов удаляли слой толщиной около 100 мкм механической шлифовкой и электролитической полировкой.
3. Результаты эксперимента и их обсуждение
Исследования структуры показали, что в исходном состоянии (состояние 1) монокристаллы <001 > сплава
типа ВКНА содержит две фазы—у и у7. В объеме сплава наблюдаются крупные выделения неправильной формы у'-фазы размерами 30-100 мкм и мелкодисперсная смесь пластин у7- и у-фаз, размерами порядка нескольких микрометров в длину и ~ 1 мкм в ширину (рис. 1, а). Основной объем занимает Y-фаза (-90 %) — твердый раствор на основе Ni3Al. При этом объемная доля крупных выделений Y-фазы составляет -22 %.
Введение в сплав небольшого (менее 2 вес. %) коли-
чества рения (состояние 2) приводит к появлению в
объеме монокристаллов третьей фазы — А1^е. Однако ее объемная доля не превышает 0.5 %. Основной объем материала по-прежнему занимает у7-фаза (-75 %). При этом объемная доля крупных выделений у7-фазы снижается до 10 %, а их размеры до 5-30 мкм (рис. 1, б).
На рис. 2, 3 представлены типичные кривые течения и температурная зависимость механических свойств при растяжении монокристаллов <001 > сплава ВКНА в состоянии 1 в интервале температур 293-1 373 К. Из рис. 2 видно, что на кривых течения указанных монокристаллов при температурах ниже 1073 К наблюдается протяженная стадия деформационного упрочнения с высоким коэффициентом деформационного упрочнения, что характерно для множественного скольжения в октаэдрических плоскостях монокристаллов со сверхструктурой L12 [8, 9]. Такой характер скольжения подтверждается и наличием на предварительно полированной поверхности монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 после испытаний в интервале температур 293-1 073 К тонких и/или грубых следов скольжения в двух взаимно перпендикулярных системах скольжения, которые проходят через обе фазы не прерываясь.
На кривых течения монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 при температурах 1 273 и 1373 К наблюдается площадка или острый зуб текучести, за которым следует протяженная стадия деформационного упрочнения с низким коэффициентом деформационного упрочнения. Такой тип кривых растяжения характерен для монокристаллов со сверхструктурой L12 в случае, если деформация осуществляется скольжением дислокаций в плоскости куба. На предварительно полированной поверхности образцов после испытания при температурах выше 1073 К следы скольжения не наблюдаются, что характерно для кубического скольжения в монокристаллах <001 > интерметаллида №3А1 [9]. Вблизи места разрушения появляются трещины. Они располагаются по границам раздела крупных денд-ритов у7-фазы и мелкодисперсной смеси (у + у7)-фаз. Плотность трещин р не высока. Например, после испы-
Рис. 1. Структура монокристаллов сплава ВКНА в состояниях 1 (а) и 2 (б)
20 40 60
Деформация, %
Рис. 2. Кривые течения монокристаллов <001> сплава ВКНА в состоянии 1, рассчитанные в приближении равномерного удлинения: 293 (1); 873 (2); 1073 (3); 1273 (4); 1373 К (5)
Температура, К
Рис. 4. Зависимость величины предела прочности (1), предела текучести (2) и деформации до разрушения (3) от температуры испытания монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2
тания при 1373 К р составляет -10 мм-2. Длина трещин колеблется от 20 до 150 мкм.
Особые кривые течения для монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 наблюдаются при температуре 1 073 К. Для этой температуры характерна очень короткая стадия деформационного упрочнения с максимальным коэффициентом деформационного упрочнения, которая сменяется стадией разупрочнения. На поверхности образцов после растяжения при температуре 1073 К наблюдаются как следы скольжения в двух взаимно перпендикулярных системах скольжения, так и трещины.
Из рис. 3 видно, что для монокристаллов < 001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 характерно монотонное увеличение предела текучести а0 2 в интервале температур 293-1 073 К, а затем после достижения максимума в при температуре, близкой к 1 073 К, его резкое падение. Пластичность монокристаллов <001 > сплава
типа ВКНА в состоянии 1 с увеличением температуры уменьшается, достигает минимума при температуре 1073 К, а затем увеличивается. Величина предела прочности ав монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 в интервале температур 293-873 К практически не изменяется. При увеличении температуры ав вначале слабо увеличивается и, достигая максимума при 1073 К, резко падает.
Таким образом, температурная зависимость деформационного поведения, прочностных и пластических характеристик монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 аналогична аномальной зависимости таковых для монокристаллов интерметаллида №3А1 [9, 10].
Легирование рением приводит к существенному повышению значений а 02 и а в монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в интервале температур от комнатной до 873 К (рис. 4), что может быть связано с твердо-
Рис. 3. Зависимость величины предела прочности (1), предела теку- Рис. 5. Кривые течения монокристаллов <001> сплава ВКНА в со-
чести (2) и деформации до разрушения (3) от температуры испытания стоянии 2, рассчитанные в приближении равномерного удлинения:
монокристаллов <001> сплава типа ВКНА в состоянии 1 293 (1); 1073 (2); 1173 (3); 1273 (4); 1373 К (5)
растворным упрочнением [5]. При этом в указанном температурном интервале значения а0 2 и ав практически постоянны. При температурах выше 873 К значения а02 и а в монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2 резко уменьшаются до значений, соответствующих состоянию 1. Величина 8 монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА при легировании рением наоборот понижается по сравнению с соответствующими значениями 8 для состояния 1. Однако во всем исследованном интервале температур она монотонно увеличивается с ростом температуры от 16 до 33 % (рис. 4).
На рис. 5 представлены типичные кривые течения при растяжении монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2 в интервале температур 2931373 К. Из рис. 5 видно, что на кривой течения указанных монокристаллов при комнатной температуре наблюдается протяженная стадия деформационного упрочнения с большим коэффициентом деформационного упрочнения, чем соответствующий состоянию 1. С увеличением температуры испытания протяженность стадии деформационного упрочнения монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2 монотонно увеличивается, а коэффициент деформационного упрочнения монотонно уменьшается. В то время как коэффициент деформационного упрочнения для монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 с ростом температуры изменяется по кривой с максимумом (рис. 2).
На предварительно полированной поверхности монокристаллов <001 > сплава ВКНА в состоянии 2, как и на поверхности монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1, после растяжения в интервале температур 293-1073 К имеются тонкие и/или грубые следы скольжения в двух взаимно перпендикулярных системах скольжения, а после испытания при температурах выше 1073 следы скольжения отсутствуют. При этом плотность и длина трещин на поверхности вблизи места разрушения в монокристаллах <001 > сплава ВКНА в состоянии 2 меньше, чем в состоянии 1. Так, после растяжения при 1373 К плотность трещин на поверхности монокристаллов <001 > сплава ВКНА в состоянии 2 составляет -3 мм-2, а длина трещин колеблется от 15 до 30 мкм.
Таким образом, приведенные данные показывают, что легирование рением приводит к качественному изменению деформационного поведения монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА в интервале температур 2931073 К.
Аномальная зависимость деформационного поведения и прочностных характеристик интерметаллида №3А1 от температуры, в соответствии с [9], связана с образованием в процессе деформации в монокристаллах со сверхструктурой L12 термоактивированных дислокационных барьеров типа Кира-Вильсдорфа, кото-
рые в определенном температурном интервале практически не разрушаются. Дислокационные барьеры типа Кира-Вильсдорфа — это две расщепленные сверхчас-тичные дислокации, связанные между собой полосой антифазной границы в плоскости куба. Энергия активации образования и разрушения указанных барьеров в значительной степени определяется энергиями антифазной границы и дефекта упаковки. Известно [11, 12], что величины энергий антифазной границы и дефекта упаковки интерметаллида Ni3Al существенно зависят от типа и количества легирующих элементов. Отсюда можно предполагать, что изменение характера температурных зависимостей значений ст02, ств и 8 монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА при легировании рением связано с изменением величин энергий антифаз-ной границы и дефекта упаковки в Y-фазе.
4. Заключение
Таким образом, легирование рением приводит к изменению характера деформационного поведения монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА в интервале температур 293-1073 K. При этом наблюдается повышение коэффициентов деформационного упрочнения и прочностных характеристик указанных монокристаллов при сохранении удовлетворительной пластичности.
Литература
1. Портной К.И., Бунтушкин В.П., Мелимевкер ОД. Конструкционный сплав на основе интерметаллида Ni3Al // МиТОМ. - 1982. -№ 6. - С. 23-26.
2. Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые процессы на грани-
цах зерен и пластичность металлических поликристаллов. - Новосибирск: Наука, 1998. - 173 с.
3. Колобов Ю.Р., Касымов М.К., Афанасьев Н.И. Исследование зако-
номерностей и механизмов высокотемпературного разрушения легированного интерметаллида // ФММ. - 1989. - Т. 66. - Вып. 5. -С. 987-992.
4. Грабовецкая Г.П., Зверев И.К., Колобов Ю.Р. Развитие пластической деформации и разрушения при ползучести легированных сплавов на основе Ni3Al с различным содержанием бора // ФММ. -1994. - Т. 7. - Вып. 3. - С. 152-158.
5. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. - М.: Машиностроение, 1997. -333 с.
6. Пуарье Ж.П. Высокотемпературная ползучесть кристаллических тел. - М.: Металлургия, 1982. - 272 с.
7. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов. - М.: Машиностроение, 1998. - 463 с.
8. Попов Л.Е., Конева Н.А., Терешко И.В. Деформационное упрочнение упорядоченных сплавов. - М.: Металлургия, 1979. -255 с.
9. Гринберг Б.Ф., Иванов М.А. Интерметаллиды: микроструктура, деформационное поведение. - Екатеринбург: НИСО УрО РАН, 2002. - 359 с.
10. ThorntonP.H., DaviesP.G., Johnston T.I. The temperature dependence of the flow stress of the Y phase based upon Ni3Al // Metallurgical Transactions. - 1970. - No. 1. - P. 207-212.
11. Liu C.T, Pope D.P. Ni3Al and its alloys // Intermetallic Compounds. -1994. - V. 2. - P. 17-51.
12. Vbissere P. Weak-beam study of dislocations moving on {100} planes at 800 °C in Ni3Al // Philos. Mag. - 1984. - V. 50A. - P. 189-303.
