blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-3-228-234blackmet-1635Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEЖАРОПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С СОТОВОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3AlHIGH TEMPERATURE STRENGTH OF COMPOSITE MATERIAL WITH CELL STRUCTURE ON THE BASIS OF Ni3Al INTERMETALLIDIDEБеломытцевМ. Ю.BelomyttsevM. Yu.

д.т.н., профессор кафедры металловедения и физики прочности

119049, Россия, Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Metallography and Physics of Strength”

Moscow

myubelom@yandex.ruФунгТуан АньFungTuan An’

к.т.н., доцент, заведующий лабораторией

Республика Вьетнам, Ханой, ул. Хоанг Куок Вьет, 236

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Head of the Laboratory 

Hanoi

anh7676@yandex.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian FederationВьетнамский государственный технический университет им. Ле Куй ДонаВьетнамLe Quy Don University of Science and TechnologyViet Nam201919062019623228234Copyright © Беломытцев М.Ю., Фунг Т., 20192019Беломытцев М.Ю., Фунг Т.Belomyttsev M.Y., Fung T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1635

Методом порошковой металлургии получены материалы в виде однофазного сплава на основе Ni3Al и в виде композиционного материала (Ni3Al + W) с сотовой структурой на его основе. Структурной единицей композиционного материала являлась гранула (зерно) округлой формы средним размером 25 мкм из никелевого сплава, на которую методом химического газофазного осаждения было нанесено сплошное вольфрамовое покрытие толщиной ~0,4 мкм. Испытаниями на сжатие при комнатной температуре показано, что предел текучести композиционного материала (Ni3Al + W) с сотовой структурой при температурах 20 – 1000 °С выше, чем однофазного сплава на основе Ni3Al (до 1,7 раз), но при более высокой температуре испытания предел текучести композиционного материала сравнивается с пределом текучести никелевого сплава. Так же ведет себя и удельный (нормированный на плотность 7,8 г/см3 для сплава и 9,5 г/см3 для композита) предел текучести. При температуре 1300 °С однофазный сплав на основе Ni3Al обнаруживает твердо-жидкое поведение при сжатии. Проведены испытания на ползучесть при сжатии в вакууме при температурах 1000 – 1200 °С. С применением парного и параметрического методов математического анализа процессов ползучести по Холломону получены регрессионные уравнения связи скорости ползучести, напряжения и температуры испытания. Рассчитаны пределы ползучести по заданным допускам на скорость установившейся ползучести и обратные им величины. Показано, что при всех температурах испытания композиционный материал обладает меньшей скоростью ползучести (до 7 раз) и более высокими пределами ползучести (до 2,5 раз), чем никелевый сплав, на основе которого он сконструирован. Определены энергии активации ползучести исследованных материалов при использовании экспоненциального закона связи экспериментальных величин. Найденная энергия активации ползучести для никелевого сплава близка к значениям энергии активации самодиффузии никеля в Ni3Al и материалах на основе (230 ÷ 310 кДж/моль), а для композита – к энергии активации самодиффузии вольфрама (503 кДЖ/моль).

The powder metallurgy method was used to obtain materials in the form of a single-phase alloy based on Ni3Al and in the form of composite material (Ni3Al + W) with cell structure based on it. The structural unit of the composite material was a round granule (grain) with average size of 25 μm from nickel alloy, on which the continuous tungsten coating with thickness of ~0.4 μm was deposited by chemical vapor deposition. Compression tests at room temperature have shown that the yield stress of composite material (Ni3Al + W) with cell structure at temperatures of 20 – 1000 °C is higher than of single-phase Ni3Al-based alloy (up to 1.7 times), but at higher test temperature the yield strength of the composite is compared with the yield strength of the nickel alloy. The specific yield strength (that is, normalized for the density of 7.8 g/cm3 for the alloy and of 9.5 g/cm3 for the compo site) behaves similarly. At the temperature of 1300 °C, single-phase Ni3Al-based alloy exhibits solid-liquid behavior under compression. Creep tests were carried out for compression under vacuum at temperatures of 1000 – 1200 °C. Using the pair and parametric methods of mathematical analysis of creep processes according to Hollomon, regression equations of creep rate, stress and temperature of the test were obtained. The ultimate strength of creep for the given tolerances for steady-state creep rate and inverse values were calculated. It is shown that at all test temperatures the composite material has lower creep rate (up to 7 times) and higher ultimate strength of creep (up to 2.5 times) than the nickel alloy on which it is based. Creep activation energies of the materials studied are determined using the exponential law of coupling of experimental values. The creep activation energy for the nickel alloy found is close to the activation energy of nickel self-diffusion in Ni3Al and materials based on it (230 ÷ 310 kJ/mol), and for the composite – to self-diffusion activation energy of tungsten (503 kJ/mol).

интерметаллид Ni3Alкомпозиционный материал с сотовой структуройиспытание на сжатиепредел текучестиползучестьпределы ползучестиэнергия активациирегрессионный анализ ползучестиNi3Al intermetallidecomposite materialcell structurecompression testyield strengthcreepultimate strength of creepactivation energycreep regression analysisReferencesБеломытцев М.Ю., Штремель М.А., Медведев В.В. и др. Структура и свойства композиционных материалов с сотовой структурой на основе интерметаллида NiAl // Изв. вуз. Черная металлургия. 2006. № 1.С. 40 – 44.Belomyttsev M.Yu., Shtremel’ M.A., Medvedev V.V., Mochalov B.V., Chernukha L.G. Structure and properties of composite materials with cell structure based on NiAl intermetallide. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2006, no. 1, pp. 40–44. (In Russ.).Kimura Y., Pope D.P. Ductility and toughness in intermetallics // Intermetallics. 1998. Vol. 6. No. 6. P. 567– 571.Kimura Y., Pope D.P. Ductility and toughness in intermetallics. Intermetallics. 1998, vol. 6, no. 6, pp. 567–571.БеломытцевМ.Ю., Моляров А.В., Арсенкин А.М. Трещиностойкость композитов системы NiAl – W(W + Mo) с сотовой структурой // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 9. С. 41 – 44.Belomyttsev M.Yu., Molyarov A.V., Arsenkin A.M. Crack resistance structure composites of honeycombed NiAl–W(W + Mo)-system. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2010, no. 9, pp. 41–44. (In Russ.).Беломытцев М.Ю., Козлов Д.А., Еремин А.В. Воздействие внешней среды и температуры на структуру, фазовый состав и механические свойства интерметаллида NiAl и материалов на его основе. Сообщение 2. Взаимодействие материалов с кислородом и азотом // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 9. С. 32 – 38.Belomyttsev M.Yu., Kozlov D.A., Eremin A.V. Effects of environmental and temperature on structure, phase composition and mechanical properties of intermetallics and NiAl-based materials. Message 2. Interacting of materials with oxygen and nitrogen. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, no. 9, pp. 32–38. (In Russ.).Каблов Е.Н., Бунтушкин В.П., Поварова К.Б. и др. Малолегированные легкие жаропрочные высокотемпературные материалы на основе интерметаллида Ni3 Al // Металлы. 1999. № 1. С. 58 – 65.Kablov E.N., Buntushkin V.P., Povarova K.B., Bazyleva O.A., Morozova G.I., Kazanskaya N.K. Light low-alloy high-temperature materials based on the intermetallide Ni3 Al. Russian Metallurgy (Metally). 1999, no. 1, pp. 69–75.Ермилов А.Г. Металлизация термоциклированием. – М., Саранск: Тип. «Красный Октябрь», 2006. – 256 с.Ermilov A.G. Metallizatsiya termotsiklirovaniem [Metallization by thermocycling]. Moscow, Saransk: Tip. “Kras. Okt.”, 2006, 256 p. (In Russ.).Ohno T., Watanabe R., Nonomura T. Development of a die material for isothermal forging of superalloys in air // Transactions ISIJ. 1987. Vol. 27. No. 1. P. 34 – 41.Ohno T., Watanabe R., Nonomura T. Development of a die material for isothermal forging of superalloys in air. Transactions ISIJ. 1987, vol. 27, no. 1, pp. 34–41.Ohno T., Watanabe R., Fukui T., Tanaka K. Isothermal forging of Waspaloy in air with a new die material // Transactions ISIJ.1988. Vol. 28. No. 11. P. 958 – 964.Ohno T., Watanabe R., Fukui T., Tanaka K. Isothermal forging of Waspaloy in air with a new die material. Transactions ISIJ. 1988, vol. 28, no. 11, pp. 958–964.Tabaru T., Hanada S. High temperature strength of Ni3 Al-base alloys // Intermetallics. 1998. Vol. 6. No. 7 – 8. P. 735 – 739.Tabaru T., Hanada S. High temperature strength of Ni3 Al-base alloys. Intermetallics. 1998, vol. 6, no. 7–8, pp. 735–739.Беломытцев М.Ю. Высокотемпературные испытания малых образцов интерметаллидов на сжатие // Изв. вуз. Черная металлургия. 2000. № 11.С. 42 – 44.Belomyttsev M.Yu. High-temperature tests of intermetallides small samples on compression. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2000, no. 11, pp. 42–44. (In Russ.).Беломытцев М.Ю., Ераносов Я.В., Чертов С.С. Испытания микрообразцов на кратковременную ползучесть при сжатии // Изв. вуз. Черная металлургия. 2005. № 3. С. 46 – 50.Belomyttsev M.Yu., Eranosov Ya.V., Chertov S.S. Tests of microsamples for short-term creep under compression. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2005, no. 3, pp. 46–50. (In Russ.).Розенберг В.М. Основы жаропрочности металлических материалов. – М.: Металлургия, 1973. – 328 с.Rozenberg V.M. Rozenberg V.M. Osnovy zharoprochnosti metallicheskikh materialov [Fundamentals of high-temperature strength of metallic materials]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 328 p. (In Russ.).Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. – М.: МИСиС, 1998. – 400 с.Zolotorevskii V.S. Mekhanicheskie svoistva metallov [Mechanical properties of metals]. Moscow: MISiS, 1998, 400 p. (In Russ.).Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.Bernshtein M.L., Zaimovskii V.A. Mekhanicheskie svoistva metallov [Mechanical properties of metals]. Moscow: Metallurgiya, 1979, 496 p. (In Russ.).Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1969. – 752 с.Khimushin F.F. Zharoprochnye stali i splavy [Heat-resistant steels and alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1969, 752 p. (In Russ.).Шлякман Б.М., Ямпольский О.Н., Ратушев Д.В. Один способ определения константы С в параметре Холломона // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 9. С. 48 – 51.Shlyakman B.M., Yampol’skii O.N., Ratushev D.V. A method for determining constant C in the Hollomon parameter. Metal Science and Heat Treatment. 2011, vol. 52, no. 9-10, pp. 451–453.Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1968. – 304 с.Garofalo F. Fundamentals of Creep and Creep-rupture in metals. New York and London, 1965. (Russ.ed.: Garofalo F. Zakony polzuchesti i dlitel’noi prochnosti metallov i splavov. Moscow: Metallurgiya, 1968, 304 p.).Чадек Й. Ползучесть металлических материалов / Пер. с чешск. – М.: Мир, 1987. – 304 с.Čadek Josef. Creep in metallic materials. Prague: Academia, 1988, 372 p. (Russ.ed.: Čadek J. Polzuchest’ metallicheskikh materialov. Moscow: Mir, 1987, 304 p.).Bokstein B.S., Bokstein S.Z., Spitsberg I.T. Ni self-diffusion in alloyed Ni3 Al // Intermetallics. 1996. Vol. 4. No.7. P. 517 – 523.Bokstein B.S., Bokstein S.Z., Spitsberg I.T. Ni self-diffusion in alloyed Ni3 Al. Intermetallics. 1996, vol. 4, no. 7, pp. 517–523.Frank S., Rüsing J., Herzig Chr. Grain boundary self-diffusion of 63 Ni in pure boron-dopped Ni3 Al // Intermetallics. 1996. Vol. 8. No. 7. P. 601 – 611.Frank S., Rüsing J., Herzig Chr. Grain boundary self-diffusion of 63 Ni in pure boron-dopped Ni3 Al. Intermetallics. 1996, vol. 8, no. 7, pp. 601–611.Базылева О.А., Поварова К.Б., Казанская Н.К., Дроздов А.А. Редкоземельные металлы в сплавах на основе алюминидов никеля. III. Структура и свойства многокомпонентных сплавов на основе Ni3 Al // Металлы. 2009. № 2. С. 69 – 75.Bazyleva O.A., Povarova K.B., Kazanskaya N.K., Drozdov A.A. Rare-earth metals in nickel aluminide-based alloys: III. Structure and properties of multicomponent Ni3 Al-based alloys. Russian Metal lurgy (Metally). 2009, no. 2, pp. 154–159.Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. – М.: Металлургия, 1978. – 348 с.Bokshtein B.S. Diffuziya v metallakh [Diffusion in metals]. Moscow: Metallurgiya, 1978, 348 p. (In Russ.).Miracle D.B. The physical and mechanical properties of NiAl // Acta Metallurica et Materialia. 1993.Vol. 41. No. 3. P. 949 – 985.Miracle D.B. The physical and mechanical properties of NiAl. Acta Metallurica et Materialia. 1993, vol. 41, no. 3, pp. 949–985.Поварова К.Б., Банных О.А. Принципы создания сплавов на основе интерметаллидов. Ч. I // Материаловедение. 1999. № 2. С. 27 – 33.Povarova K.B., Bannykh O.A. Principles of creating alloys based on intermetallides. Part I. Materialovedenie. 1999, no. 2, pp. 27–33. (In Russ.).Поварова К.Б., Банных О.А. Принципы создания сплавов на основе интерметаллидов. Ч. II // Материаловедение. 1999. № 3. С. 29 – 37.Povarova K.B., Bannykh O.A. Principles of creating alloys based on intermetallides. Part II. Materialovedenie. 1999, no. 3, pp. 29–37. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.