симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 2), страница 5

Влилние легирующих добавок на кинетику роста окалины, ее .аорфологию и нрочность сцелления с лодлолгкой. Окисление сплавов без легнрующих добавок приводит к образованию пленок А),О„ которые очень слабо сцеплены с полложкой и отслаиваются от нее точно по поверхности раздела оксид-металл.

Добавки 0,01-0,1 % (по массе) элементов, активно реагирующих с кислородом или редкоземельных, включая (но не только) Зс, У, Хг, 1,а, НГ, Се, УЬ и ТЫ, приводят к образованию окалин, которые связаны с подложкой весъма прочно. В обобщенном виде зависимость нзотермического и термоцикличе ского окисления в системах СоСгА(+ Ъ',Нг н Х!СгА)+ Ег от количества легирующей добавки представлена схематически на рис.11.12. Область 1. П Показано, что малые' добавки до некоторой' степени замедляют рост окалины (рис. 11.12) и снижают сжимающие напряжения, возникающие в окалины в резулътате ее роста (52-55!. Снижение веса окалины связывают с уменъшением ее вспучивания (под действием сжимающих напряжений) и снижением ее общей поверхности при росте тол- ( .

11.13 а б). Нередко подобные наблюдения объясняют особенностями "напряжений роста", вносимыми оразованнем оксидных выделений в окалины по границам ее зерен (56-58!. Этот вывод подтверждают опыты с мечеными атомами кислорода ("0); показано, что они скапливаются в объеме уже о разов б анной окалины у нелегнрованных сплавов )ч'А! (46). Поэтому складывается мнение, что внутри окали- 1 ны могут образовываться новые оксиды, а диффузия алюмнни я к поверхности сп т сплава ответственна за возникновение "на- яженнй роста" и вспучиванне. При весьма малых содержапряженни ро пнях добавки пористость на поверхности р д сильно понижена (рис.11.13, б) !52, 56, 59!.

Наконец, очность сцепления окалины с подложкой р езко воз встает с повышением содержания добавки, об этом свидетельствует ар Л В Ч 1 хр $ 40 к ч! га р 26 й1 27 Рис 11 12. Схем атическае диаграмма. Срависвие влиапш добавок (Ег, х), обладахиикх высоким сродспюм к кислороду, ва характер окислеиих (измсвсивс удельиоа йи/л, и полиса йа/л) при азотермическеч (1) и пикличсском (2) патроне (04роС е течспвс 100 ч) у сплавов КЯСгА!+Ег и СоСгА!+Т (52-541 Области: 1 — плохав адгезих, мсдлсииыа рост окалины; 11 — корошах адгезвх, ысдлсипыа рост окалииы; /П вЂ” хорошав адгсзвх, уса<» рсииыа рост окаливы рве.11,1З.Измепевгш в морэологии окалииы у сплшюв систс шюв спсммы )Ч! — Сг — А! при введсшш различных добавок Ег (л, б, е — выдерикв ч пр Вч и 1100оС, г — вйа — 0% Ег, вспученная окалива с трещииами (показано стрелкой, суют; е — 0,12% Ег, отставание или вспучиваииа окалины ист; г — 1,10% Ег, активное еормаровавис ввс подокалпвпого слег, 1 — пеповреидеивыв оасидиыв слов; 2 — обиаисввыа металл; З вЂ” трещввы в варуипоа окалине изменение степени общего окисления в циклическом ежиме (рис.

11.12). м режиме Область 1 . П. Сплавам, относящимся к этой области, и- суше оптимальное сочетание стойкости к изотермическому. и циклическому окислению, обусловленное превосходной связъю окалины с подложкой и минимальной скоростью ее оста. Вс ченным пу окалинам в совокупности со спиралъными поев роста.

бвз по веряностями металлической подложки свойственны р Н Ы РОВНЪ1Е, вз пористости, поверхности раздела (рис. 11.13, б, в). От поверхности раздела оксид-металл внутрь сплава [52-541 растут палъцевидные выступы (шпилыси) А! О, инициированны- еые оксидами с высоким содержанием легирующей добавки. Область ЕП. Высокое содержание легирующей добавки яв- ляется причиной чрезмерных привесов, связаннъгх с образо- ванием подокалинных слоев (рис. 11.12, и 11.13,г).

Превы- шение предела растворимости добавки Х нередко приводит незащитному окислению грубых выделений М-Х с образованием объемистых выделений смешанных окислов Аг-Х [60]. Границы трех указанных областей не являются строго по- стоянными или жестко связанными с содержанием лег р ирующеи до анки либо температурой окисления. Поэт м оэтому минимильные содержания добавок, потребные для прочного сцепления ока- лины с подложкой, могут бъггь весьма различнъг [52-57, 61-63), ), универсального уровня легирования, оптимального для всех случаев, не существует. Обычно добавка 0,1% (по массе) лостаточна для хорошей адгезии' окалины, а добавка в 1,0% (по массе) ) приводит к формированию избыточного количества подокалинных продуктов.

Модели и лгехинизлы идгезии. В табл. 11.1 под номерами 1-4 приведены модели, на которые чаще всего ссылаются, чтобы объяснить те или иные особенности связи окалины с подложкой [641. В о словцом эти достаточно противоречивые модели родились при трактовке поведения сплавов в облас- тях 1, П и ПЕ. В з и . значительной мере ия противоречивость связана с тремя факторами. Во-первыя, каждая отлича пр д иным изяществом, поскольку согласуется с болъшинется ствбм кинетических, морфологических и адгезионных явле- Вне во е ре д згмм достаточно ювестным термином в неаб мснсна длинназ фо у вка п в ходимых случаях за- П „. Рму р'вка пр " ' 'нпа Ь "' ) с -длажкоа 28 Т а б л п л а 11.1. МоДели сиеплеппн окалины А1зОз с основой Действие лсгирувшсй добави Предназначение 1. Механическое схватывание Оксид вмсдреется в металл н механичсскы прикрепляет к мему окалвну Образование пор на поверхности размела окалины и металла предотвращено посред- ством аккомодании вакансий Предотврашена жтречная днффузыя АР+ ы его накопление в оксидс Я Образование аакаисионных стоков Ъ Напряжения возникают в про- нессе роста окалины 4.

Пластификамне окалины Зерно А!зОз мзмельчена, повышение вклада зернограмичнай диффузии спасабсгвусг ре лаксании напрвжений за счет ползучести Кабла 5. Обеспечение хвмвческой свми Сера, "отравлявшая" хммечсскуя свези окалины с основой, захватывается лсгя- рувшпми добавками ний, характеризующих повеление рассматриваемого материала.

Во-вторых, несмотря на все это согласие, существует по менъшей мере одно несоответствие между наблюдаемон адгезией и тем механизмом, действием которого ее предлагают объяснить. Например, адгезию без "шпилек", отслаивание без порообразования, отслаивание без напряжений или вспучивания, адгезию у сильно леформированных окалин — все это наблю лали в действительности [56, 59, 61[. В-третьих, в какой-то степени вклад в адгезию могут давать одновременно все четъгре механизма. Основанием для самой новой модели (5- в табл. 11.1) послужило наблюдение, согласно которому с помощью добавок, активно реагирующих с кислородом', можно предотвратить сегрегацию серы на поверхности раздела оксид-металл [65-68[.

Полагают, что в этой ситуации сера ведет себя также, как при зернограничном охрупчивании металлов, связанном с захватом электронов у металлического атома и "отравлением" межатомной связи [69[. Справедливость этого предположения наяодит еще одно сильное подтверждение в опъгга, согласно которым прочную связь окалины с подлож- гв отдельяых сиучаях для краткасгв использован несколько жаргонный терман 'кислородаактввные' добавка. Прим. лерга 29 кой получали на сплавах Х]СгА1 без введени ж~~~" побеж ит .„ия, гафния или ци ко р шя просто пу или устранения имесей сплаве [70, 71].

примесеи серы в исходном Факты сегрегации самих лег легирующих добавок породили досвязи по поверхно такая сегрегация еще более ловы ости раздела [68]. К шает прочность настям добавок [ ]. химическим особенок, усиливавших адгезию, след ет о сокоотрицательные значе ' 80 следует отнести выульф ж~, значения бает оксидов и с цию с незанятыми а' о битал растворимость в слете Х (С ) еме !( о, Ре) [68). 11.4. Влияние тих об дру щепринятых легирующих элементов Помимо Сг и А1 гирующих элеме , суперсплавы соде жат р множество важных леементов, к их числу относятся тугоплавкие металлы. В сятся Мп, Т1, Б! и все зывают существенное в о многих случаях э у ти элементы окасплавов, формирующих ое влияние на стойкость к о окислению у шнх соединения Сг О или разделе мы рассмот рим сведения о влияни г 3 А!303 В данном на окислительные свойства иянин этих элементов М е свойства некоторых модельных с е своиства планов.

арганеи, титан и кремний Марганец можно рассматр но менее эффективны") .„ивать как возможны зи (но значительзи заменитель ома п залечивающих слое хр при формировании ев в окалинах Сг 0 . Изве способствует образов 7) 33 однако в системе С -19С е ь ггО в систем Хг— вплоть до содержани 30 о- г маргане бь ец ыл неэффективен ганца поддерживали ф я в % (по массе) [743'. ) [ ',. Добавки марре-А1, не давая на ш и формирование окали ны А1,0, на сплавах я нарушить ее сплошность глоб ля н гатыми железом участками [75, 76]. улярными, боДобавки титана способе б р валяю СггОз на сплатвуют о азо рость роста Сг О [77 ].

и о- г, правда, не меня яя существенно скоз, 78]. Сообщают так ]. также, что добавки адгезию у Х1-20Сг, л чша Улучшали вв У %-500г Увеличивая слегка око ость ~кормы р ста окалин А1,0, на -фаза), титан не оказывает с действия образованию ущественного нию чистой окалины А1 г 3 30 и г [г-твердый раствор) [40, 81). Известно отрицательное влияние титана на адгезию окалины у никелевого суперсплава [82), и положительное — у сплава Ре-18Сг-6А1 [83). Из всех элементов, проявляющих окислительную активносп, промежуточную между активностью алюминия и никеля, самое сильное благотворное влияние оказывает кремний. Стойкость некоторых сплавов систем %-Сг, Ре-Сг и % — А1 к изотермическому и циклическому окислению можно улучшить с помощью кремния до такой степени, что она сравняется со стойкостью сплавов, формирующих исключительно окалину Сг,О, или А1,0, [40, 81,84).

Источник столь благотворного влияния заключается в том, что в присутствии кремния образуются подокалинные слои 810, и предотвращено образование оксидов Х!(Ре). От добавок кремния в количестве 0,5-1,3% 1по массе) очень сиаъно выигрывает сплав В— 1900, его стойкость к циклическому окислению повышается до уровня стойкости собственного алюминид ного покрытия [85). У сплавов МАК-М 200 и 1Х-713 аналогичные добавки также улучшали противоокислителъную стойкость, правда, не в такой большой мерв, как у сплава В-1900 [86]. Эти преимушества, к сожалению, не удалось реализовать на практике, так как добавки кремния приводили к сильному ухудшению механических свойств даже при содержании кремния 0,5% (по массе). Кремний находит все большее применение в составе покрытий на основе систем %Сг или %СгА1 [87].