Совместное легирование никеля рением и переходными металлами V - VI групп (1105746), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Полиэдрация системы Ni-Re-Cr-Mo при 1200 КИз строения изотерм двух- и трёхкомпонентных систем следует, что в системе NiRe-Cr-Mo при 1200 К существует восемь фаз. Суммарный граф данной системы (рисунок3.29 а) содержит три трёхфазные рекомбинирующие равновесия Re+σ+χ, β+σ+γ, P+β+σ.Кроме этого, из суммарного графа можно выделить четырёхфазное равновесие Re+P+σ+γ,которое не входит в общий блок четырёхфазных равновесий (рисунок 3.29 б).Полученный остаточный граф содержит 2 четырёхфазные равновесия P++μ'+δ иP+β+μ'+δ (рисунок 3.29 в).а)Рисунок 3.29.б)в)Графы четырёхкомпонентной системы Ni-Re-Cr-Mo при 1200 К:а) суммарный граф; б) суммарный граф без рекомбинирующих равновесий; в) остаточныйграф.Таким образом, рассмотрены все четырёхкомпонентные системы при 1200 К,ограняющие пятикомпонентную систему Ni-Re-Nb-Cr-Mo.В пятикомпонентной системе Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1200 К существуют четыререкомбинирующих четырёхфазных равновесия α+μ+λ+β, χ+σ+α+Re, P++α+ и α+σ+γ+β(таблица 3.12).
Оставшиеся четырёхфазные равновесия, существующие при 1200 К вчетырёхкомпонентных системах, ограняющих пятикомпонентную систему Ni-Re-Nb-CrMo,образуютподграфсуммарногографа(безрекомбинирующихравновесий)100пятикомпонентной системы Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1200 К (рисунок 3.30 а). Выделим изэтого графа полные графы пятифазных равновесий α+σ+λ+χ+ и P++α+Re+. Получимостаточный граф, представленный на рисунке 3.30 б.
На этом графе четыре фазы P, μ', δ, αсвязаны между собой четырьмя рёбрами, это означает, что эти фазы образуютнепроецирующееся четырёхфазное равновесие P+μ'+δ+α, входящее в состав двухпятифазных равновесий P++μ'+δ+α и P+β+μ'+δ+α.Таблица 3.12. Фазовые равновесия пятикомпонентной системы Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1200 К.ПятифазныеЧетырёхкомпонентные системыравновесияпятикомпо-Ni-Re-Cr-MoNi-Re-Cr-NbNi-Re-Mo-NbNi-Cr-Mo-NbнентнойRe-Cr-Mo-Nb[134]системыRe+σ+γ+Pα+σ+Re+γP++α+Re+P++α+ReP++α+P++α+Reα+σ+λ+χλ+β+χ+σχ++α+α+χ+λ+βNbα+σ+λ+χ+α+σ+λ+βCrP++μ'+δ+αP++μ'+δP++α+δα+μ'+δ+γP+α+μ'+γP+β+μ'+δ+αP+β+μ'+δP+δ+α+P+α+μ'+βРекомбини-α+μ+λ+βNbрующиеχ+σ+α+Reчетырёхфазныеравновесияα+μ+λ+βχ++α+ReP++α+α+σ+γ+βCrющеесяноеравновесиеP+σ+α+βα+σ+γ+βНепроециручетырёхфаз-α+μ'+β+δP+μ'+δ+α101Рисунок 3.30.
Графы пятикомпонентной системы Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1200 К:а) суммарный граф без рекомбинирующих равновесий; б) остаточный граф.Из проведённого анализа (таблицы 3.11, 3.12 и рисунки 3.26, 3.30) следует, что впятикомпонентной системе Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1200 и 1375 К γ-твёрдый раствор наоснове никеля находится в равновесии с фазами α, β, δ, σ, P и твёрдым раствором наоснове рения, а при 1200 К ещё и с тройной фазой μ'.
Определение фаз, находящихся вравновесии с γ-фазой, значительно сужает область поиска новых жаропрочных ижаростойких материалов, а также позволяет перейти к определению взаимнойрастворимости компонентов в никелевом твёрдом растворе и условий формирования фаз,улучшающих эксплуатационные свойства материалов. С этой целью в разделе 3.2представлено описание поверхности никелевого твёрдого раствора в пятикомпонентнойсистеме Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1375 и 1200 К. Эта система отражает качественный составсовременных деформируемых жаростойких сплавов, широко применяемых в настоящеевремя [2]. Исследование сплавов указанной системы позволит оценить взаимное влияниекомпонентов на свойства никелевых сплавов, легированных рением (способствуеттвёрдорастворному упрочнению, замедляет укрупнение фазы α) и переходнымиметалламиV-VIтвёрдорастворномугрупп,учитываяупрочнению,аналогиюучаствуютниобиявитанталаобразовании(способствуютупрочняющихинтерметаллической фазы α и карбидных фаз), а также молибдена и вольфрама(способствуют твёрдорастворному упрочнению).1023.2.
Экспериментальноеопределениемаксимальнойрастворимостилегирующих элементов в никелевом твёрдом растворе при 1375 и 1200 К ианалитическое описание его поверхности на изотермических сеченияхдиаграммы фазовых равновесий пятикомпонентной системы Ni-Re-NbCr-MoВ данной работе описание поверхности никелевого твёрдого раствора впятикомпонентной системе Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1375 и 1200 К осуществлено согласнопринципу соответствия с использованием метода [146], состоящего в построениизависимости содержания Ni в насыщенном γ-твёрдом растворе от значений Zi = Xi / (1 –XNi), где Xi – мольная доля i легирующего компонента, XNi – мольная доля никеля, причёмΣ Zi = 1. Такая форма зависимости позволяет переходить к системам с большеймерностью, опираясь на информацию о растворимостях в системах с меньшей мерностью.Это позволяет значительно снизить объём экспериментальной работы при исследованиивзаимной растворимости компонентов в многокомпонентных системах.Для описания поверхности насыщенного никелевого твёрдого раствора для каждойфазовой границы γ/(γ+Ф) пятикомпонентной системы Ni-Re-Nb-Cr-Mo в данной работеиспользована наиболее простая с математической точки зрения и обеспечивающая тем неменее достаточную точность функция, которая имеет вид:XNi = ZRe*ARe+ZNb*ANb +ZCr*ACr +ZMo*AMo +ZRe*ZNb*AReNb +ZRe*ZCr*AReCr ++ZRe*ZMo*AReMo +ZNb*ZCr*ANbCr +ZNb*ZMo*ANbMo +ZCr*ZMo*ACrMo,(3.1)где XNi – мольная доля никеля, ZMe – относительная концентрация металла (причемZRe+ZNb+ZCr+ZMo=1), AMe – растворимость Ni в никелевом твёрдом растворе вдвухкомпонентной системе Ni-Me, AMe1Me2 – эмпирические коэффициенты.Формула 3.1 описывает поверхность (или линию), соответствующую границеγ/(γ+Ф).
Так, в трёхкомпонентной системе, содержащей две фазы, находящиеся вравновесии с никелевым твёрдым раствором, задаются две линии (для каждой из фазовыхграниц), которые будут пересекаться между собой (рисунок 3.31 а).Точка пересечения этих линий, получаемая в результате решения системы двухуравнений, делит каждую из них на два участка: действительный и виртуальный.Действительный участок каждой линии представляет собой собственно реальносуществующую границу (поверхность) γ/(γ+Ф) и характеризуется более высокимсодержанием никеля по сравнению с виртуальным участком.
Виртуальный участоккаждой линии представляет собой гипотетическую фазовую границу никелевого твёрдого103растворасдвухфазнойобластью,содержащейотсутствующуювданнойдвухкомпонентной системе фазу (такие фазы на рисунке 3.31, а обозначены пунктиром).Коэффициенты AMe1/Ф1 действительного участка линии фазовой границы γ/(γ+Ф1)определялипорезультатамисследованиядвухкомпонентнойсистемыNi-Me1,содержащей фазу Ф1. Коэффициенты AMe2/Ф1 виртуального участка линии фазовойграницы γ/(γ+Ф1) подбирались на основе обработки экспериментальных данных порастворимостилегирующихкомпонентоввникелевомтвёрдомрастворевтрёхкомпонентной системе Ni-Me1-Me2, предполагая существование гипотетической фазыФ1 в двухкомпонентной системе Ni-Me2.
Аналогичным образом были полученыкоэффициенты AMe1/Ф2 и AMe2/Ф2 для линии фазовой границы γ/(γ+Ф2). Проекция границыникелевого твёрдого раствора в трёхкомпонентной системе Ni-Me1-Me2 на сторонутреугольника составов Me1-Me2 представлена на рисунке 3.31 б.б)а)Рисунок 3.31. Представление границы твёрдого раствора на основе никеля втрёхкомпонентной системе Ni-Me1-Me2: а) схема изотермического сечения диаграммыфазовых равновесий трёхкомпонентной системы (пунктирной линией обозначенывиртуальные участки линии границы γ/(γ+Ф) и гипотетические фазы); б) проекцияграницы никелевого твёрдого раствора на сторону треугольника составов Me1-Me2,выраженных в относительных концентрациях ZMe2.Коэффициенты AMe1Me2 подбирались на основе обработки экспериментальныхданных по растворимости легирующих компонентов в никелевом твёрдом растворе втрёхкомпонентной системе Ni-Me1-Me2.
Коэффициенты AMe1Me2 для фаз, не находящихся вравновесии с никелевым твёрдым раствором в трёхкомпонентной системе Ni-Me1-Me2, нообразующих такое равновесие в четырёхкомпонентной системе Ni-Me1-Me2-Me3,104подбирались по результатам исследования четырёхкомпонентных систем. Подбор всехкоэффициентов осуществлялся методом наименьших квадратов с помощью программногообеспечения Solver Libreoffice Calc.При получении коэффициентов AMe (AMe1/Ф1, AMe2/Ф1, AMe1/Ф2, AMe2/Ф2) и AMe1Me2учитывалось, чтобы линии аппроксимации, полученные по уравнению 3.1, проходилиследующим образом: линия аппроксимации растворимости легирующих элементов вникелевомтвёрдомрастворенаграницесдвухфазнойобластьюγ/(γ+Ф)надействительном участке проходила выше, чем линии аппроксимации растворимостилегирующих элементов в никелевом твёрдом растворе для других фаз, существующих вэтой системе.Фаза α в трёхкомпонентной системе Ni-Nb-Cr существует только со стороны Ni-Nb.На стороне никель-хром фаза с такой структурой, существовать не может в принципе, начто указывает незначительная растворимость хрома в фазе Ni3Nb.Исходя из вышеизложенного в трёхкомпонентной системе Ni-Nb-Cr функция,описывающая поверхность никелевого твёрдого раствора на границе γ/(γ+α), должназадавать линию, не пересекающую сторону Ni-Cr, следовательно, уравнение 3.1 уже небудет удовлетворять этому условию.
Поэтому в настоящей работе предложеноиспользовать зависимость концентрации ниобия от концентрации хрома. Для этого былиспользован многочлен, имеющий вид функцииXNb = B + DMe*XMe + FMe X2Me,(3.2)где XNb – мольная доля Nb; B – растворимость Nb в никелевом твёрдом растворе вдвухкомпонентной системе Ni-Nb; DMe, FMe – эмпирические коэффициенты; XMe – мольнаядоля металла; Me – Mo, Cr, или Re.Поскольку в предлагаемом подходе описания поверхности никелевого твёрдогораствора каждая фазовая граница γ/(γ+Ф) должна описываться уравнением одного вида, тодля всех трёхкомпонентных систем Ni-Nb-Me1 (рисунок 3.32 а), входящих в составуказанной пятикомпонентной системы, функция, описывающая фазовую границу γ/(γ+α),будет иметь тот же вид, что для системы Ni-Nb-Cr.
Проекция границы никелевоготвёрдого раствора в трёхкомпонентной системе Ni-Me1-Nb на сторону треугольникасоставов Me1-Nb представлена на рисунке 3.32 б.ВпятикомпонентнойсистемеNi-Re-Nb-Cr-Moуравнениезависимостиконцентрации ниобия от концентрации легирующих компонентов имеет вид:XNb = B+ DRe*XRe + FRe*X2Re + DCr*XCr + FCr*X2Cr + DMo*XMo ++ FMo*X2Mo + FReCr*XRe *XCr + FReMo *XRe *XMo + FCrMo *XCr *XMo.(3.3)105Для перехода к зависимости XNi от Zi используем подстановку XNb = (100 – XNi) * ZNb,XRe = (100 – XNi) * ZRe, XCr = (100 – XNi) * ZCr и XMo = (100 – XNi) * ZMo и, учитывая, чтоZRe+ZNb+ZCr+ZMo= 1, получим уравнение функции XNi (Zi), заданную в неявном виде:(100-XNi)2 *(FRe*Z2Re+FCr*Z2Cr+FMo*Z2Mo+FReMo*ZRe*ZMo+FReCr*ZRe*ZCr ++FMoCr*ZMo*ZCr)+(100 – XNi)*( – ZNb+DRe*ZRe+DCr*ZCr + DMo*ZMo)+B=0.(3.4)ОтсюдаXNi1=100–[–(–ZNb+DRe*ZRe+DCr*ZCr+DMo*ZMo)+{(–ZNb+DRe*ZRe+DCr*ZCr+DMo*ZMo)2––4*(FRe*Z2Re+FCr*Z2Cr+FMo*Z2Mo+FReMo*ZRe*ZMo+FReCr*ZRe*ZCr+FMoCr*ZMo*ZCr)*B}1/2]//[2*(FRe*Z2Re+FCr*Z2Cr+FMo*Z2Mo+FReMo*ZRe*ZMo+FReCr*ZRe*ZCr+FMoCr*ZMo*ZCr)](3.5)иXNi2=100–[–(–ZNb+DRe*ZRe+DCr*ZCr+DMo*ZMo)–{(–ZNb+DRe*ZRe+DCr*ZCr+DMo*ZMo)2––4*(FRe*Z2Re+FCr*Z2Cr+FMo*Z2Mo+FReMo*ZRe*ZMo+FReCr*ZRe*ZCr+FMoCr*ZMo*ZCr)*B}1/2]//[2*(FRe*Z2Re+FCr*Z2Cr+FMo*Z2Mo+FReMo*ZRe*ZMo+FReCr*ZRe*ZCr+FMoCr*ZMo*ZCr)].(3.6)Таким образом, получаем 2 решения уравнения – 2 значения концентрации никеля,одно из которых не соответствует действительности, его исключение не представляетникаких трудностей.а)б)Рисунок 3.32.
Представление границы твёрдого раствора на основе никеля втрёхкомпонентной системе Ni-Me1-Nb: а) схема изотермического сечения диаграммыфазовых равновесий трёхкомпонентной системы (пунктирной линией обозначенывиртуальные участки линии границы γ/(γ+Ф) и гипотетические фазы); б) проекцияграницы никелевого твёрдого раствора на сторону треугольника составов Me1-Nb,выраженных в относительных концентрациях ZNb.106Коэффициентыуравнения 3.3 дляфазовойгранице γ/(γ+α)подбиралисьаналогичным образом на основании результатов исследования двухкомпонентнойсистемы Ni-Nb (коэффициент B), трёхкомпонентных систем Ni-Nb-Cr, Ni-Nb-Mo, Ni-NbRe (коэффициенты DMe, FMe) и четырёхкомпонентных систем Ni-Re-Nb-Cr, Ni-Re-Nb-Mo,Ni-Nb-Cr-Mo (коэффициент FMe1Me2).Для четырёхкомпонентных систем поверхность твёрдого раствора на основеникеля, может быть графически представлена в виде проекции на треугольник Ме1–Ме2–Ме3, в вершинах которого находятся легирующие элементы (рисунок 3.33).а)б)Рисунок 3.33.
Представление поверхности твёрдого раствора на основе никеля вчетырёхкомпонентной системе: а) схема изотермического сечения диаграммы фазовыхравновесий четырёхкомпонентной системы; б) проекция поверхности никелевоготвёрдого раствора на плоскость треугольника составов, выраженных в относительныхконцентрациях Zi.Областинаэтихрисункахявляютсяпроекциямиучастковповерхностирастворимости легирующих элементов в γ-твёрдом растворе, находящемся в равновесии ссоответствующей фазой, линии – проекции моновариантных трёхфазных равновесий сучастием γ-фазы, а точки – проекции вершин нонвариантных четырёхфазных равновесийс участием γ-фазы.Поверхность никелевого раствора, соприкасающаяся с каждой из двухфазныхобластей, описывается уравнением (возможно, неявным) зависимости концентрацияникеля на поверхности (XNi) от значений Zi остальных (легирующих) компонентов сплава.Совместное решение двух уравнений задаёт линию соприкосновения никелевого растворас трёхфазной областью, а совместное решение трёх уравнений – точку соприкосновенияникелевого раствора с четырёхфазной областью.107Для описания поверхности никелевого твёрдого раствора в пятикомпонентнойсистеме Ni-Re-Nb-Cr-Mo при 1375 и 1200 К были синтезированы сплавы по методике,представленной в разделе 2.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
