Совместное легирование никеля рением и переходными металлами V - VI групп (1105746), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В работе [159] указывается, чтодобавление хрома и рения либо улучшает защитные свойства оксидного слоя, либооказывается индифферентным, а легирование ниобием и молибденом ухудшает егозащитные свойства.Лучшими защитными свойствами обладают сплошные плотные плёнки, которые неимеют больших внутренних напряжений, являются достаточно толстыми для торможения55процесса диффузии и характеризуются хорошим сцеплением с металлом и минимальнойразницей в линейном коэффициенте теплового расширения по сравнению с металлом[160, 161].Из анализа литературных источников следует, что процесс высокотемпературногоокисления кислородом воздуха достаточно хорошо изучен для чистых металлов инекоторых двухкомпонентных систем. Однако влияние компонентов при совместномлегировании никеля ниобием, молибденом, рением и хромом на устойчивость квысокотемпературному окислению сплавов на воздухе представлено, в основном, накачественном уровне и, кроме того, практически не рассмотрено влияние на этот процессвыделений упрочняющей фазы α-Ni3Nb.56Глава 2.
Методика эксперимента2.1. Методика приготовления образцовВкачествеисходныхматериаловдляприготовленияобразцовсплавовиспользовали: никель, хром, молибден и вольфрам чистотой не менее 99,95 мас. %; рений,ванадий, ниобий и тантал чистотой не менее 99,80 мас. %.Для определения фазовых равновесий в многокомпонентных системах составыисходных сплавов выбирали, опираясь на литературные данные о строении диаграммфазовых равновесий трёхкомпонентных систем и положение областей существования фазв данных системах, таким образом, чтобы попасть в центр соответствующего равновесия,например, в случае подтверждения четырёхфазного равновесия – в центр тетраэдра,ограниченного трёхфазными равновесиями. Для этого сначала находили среднееарифметическое значение состава (по концентрации каждого элемента) каждой фазы(подтверждаемого четырёхфазного равновесия) от составов этой фазы в трёхфазныхравновесиях трёхкомпонентных систем, содержащих данную фазу.
Затем рассчитывалисоставчетырёхкомпонентного(предположительночетырёхфазного)сплавапутёмнахождения среднего арифметического от усреднённых концентраций элементов длякаждой из четырёх фаз.Для синтеза сплавов, содержащих Re, Ta, W, использовали лигатуру составовNi90Re10, Ni64Ta36, Ni79,4W20,6. В том случае, когда мольная доля Re, Ta и Wпревышаламольнуюдолюввыбранныхсоставахлигатуры,использовалииндивидуальные составы лигатур, содержащие минимально возможную мольную долюRe, Ta или W. Вся лигатура готовилась следующим образом: 1) взвешивались порошки Ni,Re, Ta, W; 2) порошки перемешивались и прессовались в таблетки; 3) таблетки,помещённые в двойные вакуумированные кварцевые ампулы, подвергали температурнойобработке при температуре 1375 К в течение 250 часов в трубчатой печиэлектросопротивления; 4) полученные таблетки многократно переплавлялись в дуговойпечи с нерасходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере аргона.Массу сплава и количество других легирующих элементов, а также недостающиеколичества никеля, рассчитывали исходя из количеств Re, Ta, W, присутствующих влигатуре.
Все компоненты, добавляемые к лигатуре, брались в виде металлическихпластинок.57Сплавы синтезировалив дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовымэлектродом в атмосфере аргона c многократным переплавом. Гомогенизирующий отжигсплавов, предварительно помещённых в двойные вакуумированные кварцевые ампулы,проводили в трубчатой печи электросопротивления. Между стенками ампул помещалициркониевую стружку для поглощения кислорода.Выбор температуры гомогенизирующего отжига обусловлен строением диаграммфазовых равновесий двух- и трёхкомпонентных систем, а также температурным режимом,используемым при получении никелевых суперсплавов [1].Для определения фазовых равновесий в четырёхкомпонентных системах никеля ирения с переходными металлами V-VI групп гомогенизирующий отжиг сплавовпроводили при 1375 К в течение 1200 часов. Состав элементов в сплавах представлен втаблицах № 3.1 для системы Ni-Re-V-Nb, № 3.2 для системы Ni-Re-V-Ta, № 3.3 длясистемы Ni-Re-Nb-Cr, № 3.4 для системы Ni-Nb-Ta, № 3.5 для системы Ni-Re-Nb-Mo,№ 3.6 для системы Ni-Re-Nb-W, № 3.7 для системы Ni-Re-Ta-Cr, № 3.8 для системы NiRe-Ta-Mo, № 3.9 для системы Ni-Re-Ta-W.Для построения поверхностей никелевого твёрдого раствора в пятикомпонентнойсистеме Ni-Re-Nb-Cr-Mo гомогенизирующий отжиг сплавов проводили при 1375 К втечение 500 часов и при 1200 К в течение 1000 часов.
Состав элементов в сплавахпредставлен в Приложении (таблицы П.1 – П.4).Для определения твёрдости образцов были получены никелевые сплавы, составкоторых представлен в таблицах 3.16, 3.17 и 3.18. Составы сплавов выбирались наосновании расчётных значений растворимостей легирующих компонентов в никелевомтвёрдом растворе таким образом, чтобы приготовленные образцы представляли собойоднофазные сплавы с максимальным значением легирующих элементов при температурегомогенизирующего отжига – 1375 К. Сплавы подвергались гомогенизирующему отжигупри 1375 К в течение 48 часов и дисперсионному твердению при 1200 К в течение 24часов.
Подобный температурно-временной режим используется при термическойобработке никелевых суперсплавов [1, 2].Для определения устойчивости сплавов к высокотемпературному окислению навоздухе были получены однофазные (в области никелевого твёрдого раствора (таблица3.20)) и двухфазные сплавы (таблица 3.21).
Полученные сплавы гомогенизировали притемпературе 1375 К в течение 24 часов в вакуумированной ампуле, а затем подверглиокислению на воздухе при температуре 1200 К в течение 50 часов.Точность поддержания температуры в трубчатой печи составляла 5 К. Давление вампулах при запайке измерялось и составляло не более 5×10-2 Па.58Для исследования сплавов методами электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА)и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) образцы помещались в металлическиеобоймы, заливались сплавом Вуда, затем шлифовались на шлифовальном оборудованииMECAPOL и полировались на алмазных пастах. Отполированные образцы отмывались вэтиловом спирте в течение 12 часов.Дляисследованиясплавовметодомрентгенофазовогоанализа(РФА)взависимости от фазового состава сплава образец для анализа получали либо растираниемнебольших кусочков сплавов в агатовой ступке до состояния мелкодисперсного порошка,либонапиливаниемсплавовалмазныминадфилями.Дляснятиямеханическихнапряжений порошки, запаянные в вакуумированные кварцевые ампулы, выдерживалипри 923 К в течение 1 часа.2.2.
Методы исследования2.2.1. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)Микроструктуру образцов исследовали методом растровой электронной микроскопиина приборе «LEO EVO 50 XVP» (Carl Zeiss) при ускоряющем напряжении 20 кВ.Изображение получали, используя детектор обратно рассеянных электронов (QBSD).2.2.2. Электронно-зондовый микроанализ (ЭЗМА)Количественный состав сплавов, а также концентрацию элементов в фазах сплавовисследовали методом электронно-зондового микроанализа на приборе «LEO EVO 50XVP» (Сarl Zeiss), оснащённом энергодисперсионным анализатором «Inca Energy 450»(Oxford Instruments), при ускоряющем напряжении 20 кВ.ОбработкарезультатовпроводиласьнаЭВМприпомощипрограммногообеспечения «INCA» методом XPP, учитывающим поправки на атомный номер и эффектпоглощения.
Данная методика обработки результатов даёт стандартную ошибку 2 отн. %.2.2.3. Рентгенофазовый анализ (РФА)Рентгенофазовый анализ проводили методом порошка на автодифрактометре «STOESTADI P» в геометрии на пропускание (Ge-монохроматор, излучение CuKα1, линейный PSD,интервал углов 2θ 10° – 90°, шаг 0,01, время экспозиции 10 секунд на точку), а также на59дифрактометре «ДРОН-4» с использованием CuK1-излучения (Ge-монохроматор, интервалуглов 2θ 10° – 90°, шаг 0,1, время экспозиции 10 секунд на точку).Для идентификации фаз и расчёта параметров решётки использовали программноеобеспечение STOE WinXPOW (Version 1.06 (17-Aug-1999) Copyright (С) 1999 STOE & CieGmbH) [162] и FullProf [163].2.2.4.
Дифференциальный термический анализ (ДТА)Дифференциальныйтермическийанализпроводилинаустановке-термоанализаторе «Jupiter STA 449 F1» (Netzsch GmbH). Нагрев образцов осуществлялся ватмосфере гелия высокой чистоты (p = 105 Па) при постоянной скорости 20 град/мин.Точность определения температуры составляла 1 град.2.2.5. Измерение твёрдостиИзмерение твёрдости сплавов проводили на приборе «Buehler micromet 5103» поВиккерсу [164] при номинальном значении нагрузки 0,9807 Н. Время выдержки поднагрузкой составляло 10 с.
Твёрдость каждого образца измерялась в 10 точках. Результатыизмерений статистически обрабатывались с использованием t-критерия Стьюдента,P=0,95.2.2.6. Определениеустойчивостисплавовквысокотемпературномуокислению на воздухеДля определения устойчивости сплавов к высокотемпературному окислению навоздухе их образцы, полученные по приведённой в разделе 2.1 методике, взвешивались нааналитических весах «Adventurer Ohaus RV214» (дискретность 0,1 мг, точность ±0,3 мг).После окисления на воздухе окисленные зоны исследовались на приборе «LEO EVO 50XVP» (Carl Zeiss), оснащённом энергодисперсионным анализатором «Inca Energy 450».После этого окисленные образцы очищались от окалины, промывались водой, осушались,промывались этиловым спиртом и помещались в эксикатор на 1 час, а затем вторичновзвешивались.
По результатам взвешивания образцов находили относительное изменениеих массы (w) по формуле:,где m1 – масса исходного образца, мг; m2 –масса образца после окисления, мг.2.160Глава 3. Результаты и их обсуждение3.1. Полиэдрация диаграмм фазовых равновесийсистемникеля,ренияипереходныхчетырёхкомпонентныхметалловV-VIгруппипятикомпонентной системы Ni-Re-Nb-Cr-Mo3.1.1. Определение фазовых равновесий в четырёхкомпонентных системахникеля, рения и переходных металлов V-VI групп при 1375 К ипредставление их в виде графов1. Система Ni-Re-V-NbИзотермические сечения трёхкомпонентных систем при 1375 К и их графыпредставлены на рисунках 1.15, 1.16, 1.26, 1.27. Помимо трёх твёрдых растворов на основекомпонентов γNi, βNb,V и Re в системе Ni-Re-V-Nb образуются шесть интерметаллическихсоединений: α, μ, λ, σ, σ’ и χ.В результате сложения графов трёхфазных равновесий тройных изотермполучается суммарный граф системы Ni-Re-V-Nb при 1375 К, содержащий девять вершин(рисунок 3.1).Рисунок 3.1.
Суммарный граф изотермическогосечениядиаграммычетырёхкомпонентной1375 К.фазовыхсистемыравновесийNi-Re-V-Nbпри61Суммарный граф изотермического сечения диаграммы фазовых равновесийчетырёхкомпонентной системы Ni-Re-V-Nb при 1375 К оказывается одновременно иостаточным графом.Для экспериментального разложения остаточного графа необходима проверкапятнадцати двухфазных равновесий. Для уменьшения объёма экспериментальныхисследований необходимо рассмотреть наиболее вероятные варианты разложенияостаточного графа.Для начала, предполагая, что в системе нет неизвестных двухфазных равновесий,применим к остаточному графу вышеизложенную методику разложения.
На остаточномграфеможновыделитьшестьполныхграфовчетырёхфазныхравновесий:1) α+λ+μ+β, 2) σ+λ+β+γ, 3) α+β+γ+λ, 4) α+β+γ+Re, 5) α+Re+β+χ, 6) Re+'+β+γ (рисунок3.2, а). Кроме этого, на суммарном графе имеются четыре фазы μ, σ, σ' и χ, которыенаходятся в равновесии только с тремя другими фазами системы. Эти фазы и образуютконцевые равновесия в предполагаемой цепочке равновесий системы Ni-Re-V-Nb,которую можно представить также в виде графа, вершины которого представляют собойчетырёхфазные равновесия, а рёбрами являются трёхфазные непроецирующиесяравновесия. Граф такого типа называется графом взаимосвязи четырёхфазных равновесий(рисунок 3.2 б).а)б)Рисунок 3.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
