Совместное легирование никеля рением и переходными металлами V - VI групп (1105746), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Курдюмова (Черноголовка, 29 октября – 2 ноября 2012года), Международном молодёжном научном форуме «Ломоносов-2012» (Москва, МГУимени М.В.Ломоносова, 9 – 13 апреля 2012 года), Международном молодёжном научномфоруме «Ломоносов-2013» (Москва, МГУ имени М.В.Ломоносова, 8 – 13 апреля 2013года), X Международном Курнаковском совещании по физико-химическому анализу(Россия, г. Самара, 02 – 05 июля 2013 г.), XII International Conference on Cristal Chemistryof Intermetallic Compounds (Lviv, Ukraine, September 22 – 26, 2013), 4-th Internationalconference HighMatTech (October 7 – 11, 2013, Kiev, Ukraine).По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи вжурналах из перечня, рекомендованного ВАК, и 6 тезисов докладов на международныхконференциях.Личный вклад автораАвторомсамостоятельновыполнены:сборисистематическийанализлитературных данных по теме диссертационной работы, синтез и термообработка сплавов,подготовка образцов для исследования, исследования сплавов методами сканирующейэлектронной микроскопии, электронно-зондового микроанализа, измерение твёрдости иустойчивости сплавов к высокотемпературному окислению на воздухе, обработкаэкспериментальных данных, полученных вышеуказыными методами, а также методамирентгенофазового анализа и дифференциального термического анализа.
Формулировкатемы исследования, постановка исследовательских задач, интерпретация полученныхрезультатов, формулирование выводов проводились совместно с научным руководителем.Структура и объём диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, трёх глав (литературный обзор,методика эксперимента, результаты и их обсуждение), заключения, выводов, спискалитературы и приложения. Диссертация изложена на 158 страницах, включает 31 таблицуи 82 рисунка. Список литературы содержит 167 цитируемых источника.8Глава 1. Литературный обзорВ настоящем обзоре рассмотрены аспекты, касающиеся состава, структуры,свойств и получения никелевых суперсплавов, приведена характеристика методапостроения многокомпонентных диаграмм фазовых равновесий с помощью графов,представлен анализ литературных данных о строении диаграмм фазовых равновесийдвух-, трёх- и многокомпонентных систем никеля, рения и переходных металлов V-VIгрупп, приведена характеристика фаз, образующихся в этих системах, а такжерассмотрены подходы к описанию поверхностей раздела фаз в многокомпонентныхмногофазных системах и вопросы окислительной устойчивости никелевых сплавов,содержащих рений, ниобий, хром и молибден.1.1.
Жаропрочные и жаростойкие материалы на основе никелевых сплавовСовременные жаропрочные и жаростойкие материалы на основе никелевыхсплавов (никелевые суперсплавы) – многокомпонентные многофазные материалы,предназначенные для использования в диапазоне температур 650 – 11000С ихарактеризующиеся при указанных температурах высокой прочностью (жаропрочностью)и стойкостью к высокотемпературному окислению (жаростойкостью) [1 – 3].На рисунке 1.1 проиллюстрирован процесс развития подходов к созданиюжаропрочных сплавов, в том числе никелевых, начиная с 1940-х годов; в качествекритерия выбрана температура, при которой происходит разрыв при нагрузке 137 MПa втечение 1000 ч [2].
Из рисунка 1.1 видно, что первоначально использовались(деформированные) кованые сплавы, а затем с середины 1950-х годов началосьиспользование литых сплавов, которые обладали лучшими характеристиками и былиполучены с использованием вакуумной индукционной технологии литья. В начале 1970-хгодов были внедрены более совершенные методы литья, позволившие осуществитьнаправленную кристаллизацию и тем самым предотвратить появление поперечных границзерён.
Далее уже в середине 1970-х годов начали производить монокристаллическиежаропрочные сплавы, в которых отсутствуют границы зерён. Это позволило, в своюочередь,исключитьизсоставасплавовтрадиционнодобавляемыеэлементы,упрочняющие границы зерён, такие, как бор и углерод, что привело к улучшению9термообработки, проводимой для уменьшения микросегрегаций и эвтектическихобразований [2].Рисунок 1.1.
Эволюция подходов к созданию жаропрочных сплавов, в том численикелевых, начиная с 1940-х годов [2].С момента появления промышленных монокристаллических жаропрочных сплавовдо настоящего времени были разработаны несколько поколений этих сплавов (рисунок1.2) [2]. Так называемое первое поколение монокристаллических жаропрочных сплавов,таких, как PWA1480, Rene N4 и SRR99, содержит значительные количества упрочняющихэлементов Al, Ti, Та. Второе поколение сплавов, таких как PWA1484, CMSX-4 и Rene N5,характеризуется включением в их состав рения в концентрациях более 3 мас. %. Усплавов третьего поколения, таких как CMSX-10 и Rene N6, содержание ренияувеличивается до 6 мас.
%, снижена концентрация Cr и повышена концентрация Al,концентрации Ti и Мо – довольно низкие. В период между 1980 и 1995 годами времядлительной прочности монокристаллических суперсплавов было увеличено от 250 ч при850 0C и 500 MПa для первого поколения сплава, такого как SRR99, до 2500 ч для третьегопоколения сплава, например RR3000; при более жёстких условиях, например, 1050 0C и150 MПa, время длительной прочности увеличилось в четыре раза с 250 ч до 1000 ч [2].10Рисунок 1.2.
Эволюция состава монокристаллических суперсплавов, применяемых дляизготовления лопаток турбин высокого давления [2].В период с 2000 года появилось четвёртое поколение монокристаллическихжаропрочных сплавов, таких как MC-NG, EPM-102 и TMS-162, которое характеризуетсядобавлением рутения на уровне 4,0 мас. % и концентрацией Re на уровне 4,5 мас.
%.Улучшение характеристики сопротивления ползучести в основном связано с увеличениемплотности, в том числе за счёт легирования тяжёлыми элементами, такими как Re [2].У никелевых монокристаллических суперсплавов пятого поколения (например,TMS-196) было оптимизировано содержание легирующих компонентов и увеличеносодержание Ru до 5 – 6 мас. % и Re до 6,4 мас. %, что позволило улучшить сопротивлениеползучести сплавов этого поколения по сравнению с 4-ым поколением суперсплавов [4, 5,6]. Однако монокристаллические суперсплавы как четвёртого, так и пятого поколенийимеют более низкую устойчивость к окислению, чем предыдущие поколения, в связи свысоким содержанием таких элементов, как Mo, Re и Ru [6, 7, 8].В настоящее время появились монокристаллические никелевые суперсплавышестого поколения, к которым относится сплав TMS-238.
При его разработке былоснижено содержание Мо и W и была увеличена концентрация Co и Та. Этот сплав имеетлучшие механические свойства, а также обладает более высокой окислительнойстойкостью [6].11Недостатками монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов является ихвысокая плотность (более 9 г/см3) из-за легирования рением и высокая стоимость, в томчисле из-за использования рутения. По этой причине монокристаллические жаропрочныесплавы находят ограниченное применение и используются, в основном, в газотурбинныхдвигателях, когда требуются лучшие характеристики сопротивления ползучести, а такжеокислительной и коррозионной высокотемпературной устойчивости [2].Внастоящеевремяпродолжаетсяразработкановыхнаправленнокристаллизованных литых никелевых суперсплавов, производство которых менеетрудоёмко по сравнению с монокристаллическими.
Так, в работе [9] сообщается ополучении никелевых сплавов, содержащих в среднем 1,4 мас. % Ti, 8,2 мас. % Cr,11,0 мас. % Co, 0 – 1,0 мас. % Ru, 3,6 мас. % Ta, 9,2 мас. % W, 1,0 мас. % Re, 5,2 мас. % Al,1,4 мас. % Hf, которые сочетают высокие механические характеристики (сопротивлениевысокотемпературной ползучести и малоцикловой термической усталости) с хорошейвысокотемпературной коррозионной и окислительной стойкостью, превосходят по своимхарактеристикам монокристаллические суперсплавы второго поколения и могут бытьиспользованы для изготовления лопаток газовых турбин, выдерживающих температуру в1500 °C.Деформируемые жаростойкие сплавы, имеющие поликристаллическую структуру,широко применяются в настоящее время.
Их состав отличается от состава литыхжаропрочных сплавов, как правило, более низкими концентрациями Al и Ti, заменой Тана Nb и содержанием Cr не менее 15 мас.% [2].В последние годы в Российской Федерации исследованием жаростойких ижаропрочных никелевых сплавов преимущественно занимался Всероссийский институтавиационных материалов (ВИАМ). За период 2007 по 2012 гг. в ВИАМе были выполненыважнейшие теоретические и экспериментальные работы, результатом которых сталаразработка новых, улучшенных жаропрочных никелевых рений-рутенийсодержащихсплавов (ВЖМ6,ВЖМ8), сплавов с низкойплотностью(ВЖЛ21,ВЖМ7) иинтерметаллидных сплавов (ВИН3 и др.) [10].В состав современных никелевых суперсплавов обычно входят до 12 – 13 основныхкомпонентов в зависимости от типа сплава (литой или деформируемый) из числапредставленных в таблице 1.1.12Таблица 1.1.
Основные компоненты никелевых сплавов и их функция в сплаве.№ Компоп/пФункцияСодержание компонента, Лите-нентмас. %сплавав литыхратурав деформируемых1.NiОбразуетматрицусГЦК-решёткой,ОсноваОсноваучаствует в образовании упрочняющейинтерметаллическойфазыγ'[1, 2,11]иупрочняющих карбидных фаз.2.CrСпособствуетупрочнению;твёрдорастворномуучаствует2,0 – 22,511,5 – 29,0в образовании[1, 2,11, 12]упрочняющей карбидной фазы Me26C6 ибориднойфазы;способствуетокислительнойустойчивостиобразованияповерхностногообогащённогостойкостьCr2O3;кзасчётслоя,обеспечиваетвысокотемпературнойкоррозии при содержании хрома не ниже12 мас.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
