blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2021-1-52-58blackmet-2040Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEИсследование окалиностойкости жаропрочного никелевого сплава со структурой γ′-фазыStability to oxidation resistance of heat-resistant nickel alloy with γ′-phase structureБеломытцевМ. Ю.BelomyttsevM. Yu.

Михаил Юрьевич Беломытцев, д.т.н., профессор кафедры металловедения и физики прочности

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Mikhail Yu. Belomyttsev, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair "Metallography and Physics of Strength"

4, Leninskii ave., Moscow 119049

myubelom@yandex.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology "MISIS" (MISIS)Russian Federation2021160220216415258Copyright © Беломытцев М.Ю., 20212021Беломытцев М.Ю.Belomyttsev M.Y.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/2031

Повышенный интерес к многокомпонентному легированию никеля связан с поиском новых составов жаропрочных и жаростойких сплавов на основе никелевого твердого раствора либо его интерметаллидов. В представленной работе изучено сопротивление высокотемпературному окислению сплава системы Ni – Al – Mo – W – Nb, который может быть использован как основа для создания дисперсно-упрочненных инертными частицами карбидов и нитридов двухфазных термически стабильных жаропрочных никелевых сплавов с матрицей из γ′-фазы. Образцы сплава подвергали окислению на воздухе при 900 – 1300 °С в течение 1 – 125 ч. Измеряли уменьшение массы (ΔМ, гр), которое после этого пересчитывали в показатели изменения массы образцов за единицу времени, нормированное на площадь поверхности исходных образцов (Δm, гр/м2 ·ч) и скорость «сгорания» поверхностного слоя (угара h, мкм/ч). Показано, что при окислении сплава Ni – Al – Mo – W – Nb при всех температурах происходит уменьшение массы образцов из-за образования непрочной и рыхлой поверхностной окалины. Зависимости этого показателя от времени окисления близки к линейной. С ростом температуры процессы уменьшения массы интенсифицируются. Предложено повышать окалиностойкость сплава Ni – Al – Mo – W – Nb кратковременным предварительным окислением при 1300 °С в течение 1 ч в атмосфере воздуха. Наблюдаемый эффект повышения стойкости к окислению связан с образованием в окалине слоя из соединения NiAl2O4, более эффективно предохраняющего сплав от взаимодействия с кислородом. Опыты по окислению с использованием инертных меток из платины показали, что механизмом, контролирующим окисление сплава Ni – Al – Mo – W – Nb при высоких температурах в случае наличия на поверхности слоя NiAl2O4 , следует считать диффузию кислорода через окисную пленку вглубь металла. Рассчитана энергия активации процессов окисления образцов сплава Ni – Al – Mo – W – Nb при температурах 900 – 1300 °С и без предварительного окисления. Это значение равно 234 943 ± 13 254 Дж/моль, что характерно для энергии активации процесса самодиффузии никеля.

Heightened interest to multicomponent alloying of nickel is connected with the search of new compositions of oxidation- and heat-resistant alloys on the basis of nickel solid solution or its intermetallics. In the present work, the author has investigated the resistance to high-temperature oxidation of an alloy of Ni – Al – Mo – W – Nb system which can be used as a basis for creation of dispersion-strengthened inert particles of carbides and nitrides of two-phase thermally stable superalloys with a γ′-phase matrix. Samples of the alloy were subjected to oxidation on air at 900 – 1300 °C during 1 – 125 hours. Weight reduction (ΔМ, gr) was measured which after that was recalculated into indicators of change of samples weight for a time unit, rationing for the area of initial samples surface (Δm, gr/(m2 ·hour)) and “burn” rate of surface layer (scaling loss h, micron/hour). It is shown that at oxidation of Ni – Al – Mo – W – Nb alloy at all temperatures there is a reduction of samples weight because of formation of fragile and friable superficial scale. Dependences of this indicator on oxidation time are close to the linear. With growth of temperature, processes of weight reduction are intensified. It is offered to raise oxidation resistance of Ni – Al – Mo – W – Nb alloy by short-term preliminary oxidation at temperature of 1300 °С on air. The observable effect of increase of oxidation resistance is caused by formation in scale of NiAl 2O4 layer, more effectively protecting an alloy from interaction with oxygen. Experiences on oxidation with the use of inert platinum marks have shown that it is necessary to consider oxygen diffusion through oxide film into metal as a mechanism, supervising oxidation of Ni – Al – Mo – W – Nb alloy at high temperatures in case of presence of NiAl2O4 on the surface layer. Activation energy of oxidation of Ni – Al – Mo – W – Nb alloy was calculated at 900 – 1300 °С and without preliminary oxidation. This value is equal to 220,000 J/mol that is characteristic for activation energy of nickel self-diffusion.

жаростойкостьжаропрочные никелевые сплавынимовалгранульная металлургиягамма-штрих фазаскорость окисленияэнергия активации окисленияанализ по Аррениусусамодиффузия никеляheat resistanceheat-resistant nickel alloysnimovalgranule metallurgyNi3Al-intermetallicoxidation rateactivation energy of oxidationArrhenius analysisnickel self-diffusionReferencesJing Wu, Chong Li, Yongchang Liu, Yuting Wu, Qianying Guo, Huijun Li, Aipeng Wang. Effect of annealing treatment on microstructure evolution and creep behavior of a multiphase Ni 3 Albased superalloy // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 743. P. 623 – 635. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.11.126Jing Wu, Chong Li, Yongchang Liu, Yuting Wu, Qianying Guo, Huijun Li, Aipeng Wang. Effect of annealing treatment on microstructure evolution and creep behavior of a multiphase Ni 3 Al-based superalloy. Materials Science and Engineering: A. 2019, vol. 743, pp. 623–635. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.11.126Heng Jiang, Shulong Ye, Rui Ma, Peng Yu. Influences of sintering parameters on shape-retention ability of porous Ni3 Al intermetallic fabricated by powder metallurgy // Intermetallics. 2019. Vol. 105. P. 48–55. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.11.009Heng Jiang, Shulong Ye, Rui Ma, Peng Yu. Influences of sintering parameters on shape-retention ability of porous Ni 3 Al intermetallic fabricated by powder metallurgy. Intermetallics. 2019, vol. 105, pp. 48–55. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.11.009Jing Wu, Chong Li, Yongchang Liu, Xingchuan Xia, Yuting Wu, Zongqing Ma, Haipeng Wang. Influences of solution cooling rate on microstructural evolution of a multiphase Ni3 Al-based intermetallic alloy // Intermetallics. 2019. Vol. 109. P. 48–59. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2019.03.010Jing Wu, Chong Li, Yongchang Liu, Xingchuan Xia, Yuting Wu, Zongqing Ma, Haipeng Wang. Influences of solution cooling rate on microstructural evolution of a multiphase Ni3 Al-based intermetallic alloy. Intermetallics. 2019, vol. 109, pp. 48–59. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2019.03.010Yuting Wu, Yongchang Liu, Chong Li, Xingchuan Xia, Jing Wu, Huijun Li. Effect of initial microstructure on the hot deformation behavior of a Ni3Al-basedalloy // Intermetallics. 2019. Vol. 113. Article 106584. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2019.106584Yuting Wu, Yongchang Liu, Chong Li, Xingchuan Xia, Jing Wu, Huijun Li. Effect of initial microstructure on the hot deformation behavior of a Ni3 Al-based alloy. Intermetallics. 2019, vol. 113, article 106584. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2019.106584Jing Wu, Chong Li, Yongchang Liu, Xingchuan Xia, Yuting Wu, Yefan Li, Haipeng Wang. Formation and widening mechanisms of envelope structure and its effect on creep behavior of a multiphase Ni3 Al-based intermetallic alloy // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 763. Article 138158. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138158Jing Wu, Chong Li, Yongchang Liu, Xingchuan Xia, Yuting Wu, Yefan Li, Haipeng Wang. Formation and widening mechanisms of envelope structure and its effect on creep behavior of a multiphase Ni3 Al-based intermetallic alloy. Materials Science and Engineering: A. 2019, vol. 763, article 138158. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138158Ohno T., Watanabe R., Nonomura T. Development of 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 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 Waspaloyin 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. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(98)00052-1Tabaru T., Hanada S. High temperature strength of Ni3 Al-base alloys. Intermetallics. 1998, vol. 6, no. 7–8, pp. 735–739. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(98)00052-1Беломытцев М.Ю., Фунг Туан Ань. Жаропрочность композиционного материала с сотовой структурой на основе интерметаллида Ni 3 Al // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 3. С. 228–234. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-3-228-234Belomyttsev M.Yu., Fung Tuan An’. High temperature strength of composite material with cell structure on the basis of Ni3 Al intermetallidide. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 3, pp. 228–234. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-3-228-234Гессингер Г.Х. Порошковая металлургия жаропрочных сплавов. Челябинск: Металлургия, 1988. 380 с.Gessinger G.Kh. Powder Metallurgy of Heat-Resistant Alloys. Chelyabinsk: Metallurgiya, 1988, 380 p. (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 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 2011. № 7. C. 38− 41.Belomyttsev M.Yu., Kozlov D.A., Eremin A.V. External medium and temperature exposure to intermetallic based materials structure, phase composition and mechanical properties. Communication 1. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2011, no. 7, pp. 38–41. (In Russ.).Беломытцев М.Ю., Фунг Туан Ань. Характеристики кратковременной ползучести композиционных материалов системы NiAl–W с сотовой структурой // Известия вузов. Черная металлургия. 2008. № 9. С. 50–53.Belomyttsev M.Yu., Fung Tuan An’. Characteristics of short-term creep of composite materials of NiAl – W system with cell structure. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, no. 9, pp. 50–53. (In Russ.).Штремель М.А., Беломытцев М.Ю., Чернуха Л.Г., Козлов Д.А., Сафонов В.В., Филев И.В., Крейцер К.К., Ераносов Я.В. Жаростойкость композиций металл – интерметаллид на основе NiAl // Известия вузов. Цветная металлургия. 2007. № 6. С. 68–72. https://doi.org/10.3103/S1067821207060235Shtremel’ M.A., Belomyttsev M.Yu., Chernukha L.G., Kozlov D.A., Safonov V.V., Filev I.V., Kreitser K.K., Eranosov Ya.V. Heat resistance of metal-intermetallic compositions based on NiAl. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2007, vol. 48, no. 6, pp. 507–510. https://doi.org/10.3103/S1067821207060235Тимошенко А.В., Ракоч А.Г., Микаэлян А.С. Защита от коррозии. Неметаллические покрытия и жаростойкие материалы. М.: Каравелла, 1997. 336 с.Timoshenko A.V., Rakoch A.G., Mikaelyan A.S. Protection from Corrosion. Nonmetallic Coverings and Heat-Resistant Materials. Moscow: Karavella, 1997, 336 p. (In Russ.).Chen Y., Zhao X., Bai M., Chandio A., Wuc R., Xiaoa P. Effect of platinum addition on oxidation behaviour of gamma / gamma’- nickel aluminide //Acta Materialia. 2015. Vol. 86. P. 319–330. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.023Chen Y., Zhao X., Bai M., Chandio A., Wuc R., Xiaoa P. Effect of platinum addition on oxidation behaviour of gamma / gamma’- nickel aluminide. Acta Materialia. 2015, vol. 86, pp. 319–330. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.023Kimura Y., Pope D.P. Ductility and toughness in intermetallics // Intermetallics. 1998. Vol. 6. No. 7−8. P. 567−571. https://doi.org/10.1016/s0966-9795(98)00061-2Kimura Y., Pope D.P. Ductility and toughness in intermetallics. Intermetallics. 1998, vol. 6, no. 7-8, pp. 567–571. https://doi.org/10.1016/s0966-9795(98)00061-2Miracle D.B. The physical and mechanical properties of NiAl // Acta Metalluricaet 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.Doychak J., Smialek J.L., Mitchell T.E. Transient oxidation on single-crystal β – NiAl // Metallurgical Transactions: A. 1989. Vol. 20. No. 3. P. 499–518. https://doi.org/10.1007/BF02653930Doychak J., Smialek J.L., Mitchell T.E. Transient oxidation on single–crystal β – NiAl. Metallurgical Transactions: A. 1989, vol. 20, no. 3, pp. 499–518. https://doi.org/10.1007/BF02653930Allaverdova N.V., Kuchernko L.A. Resistance to oxidation of NiAl alloys at high temperatures // Journal of Less-Common Metals. 1988. Vol. 138. No. 1. P. 59–62.Allaverdova N.V., Kuchernko L.A. Resistance to oxidation of NiAl alloys at high temperatures. Journal of Less-Common Metals. 1988, vol. 138, no. 1, pp. 59–62.Juan Chena, Lijun Zhangc, Xiao-Gang Lud. Diffusion behaviors of Rh, Ta, W, Re, Os and Ir in ternary L12-Ni3 Al alloys // Intermetallics. 2018. Vol. 102. P. 11–20. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.08.005Juan Chena, Lijun Zhangc, Xiao-Gang Lud. Diffusion behaviors of Rh, Ta, W, Re, Os and Ir in ternary L12-Ni3 Al alloys. Intermetallics. 2018, vol. 102, pp. 11–20. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.08.005Wenyue Zhao, Zhimei Sun, Shengkai Gong. Synergistic effect of co-alloying elements on site preferences and elastic properties of Ni3 Al: A first-principles study // Intermetallics. 2015. Vol. 65. P. 75–80. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2015.06.006Wenyue Zhao, Zhimei Sun, Shengkai Gong. Synergistic effect of co-alloying elements on site preferences and elastic properties of Ni 3 Al: A first-principles study. Intermetallics. 2015, vol. 65, pp. 75–80. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2015.06.006Neumann G., Tuijn C. Self-Diffusion and Impurity Diffusion in Pure Metals: Handbook of Experimental Data. Pergamon, 2011. 360 p.Neumann G., Tuijn C. Self-Diffusion and Impurity Diffusion in Pure Metals: Handbook of Experimental Data. Pergamon, 2011, 360 p.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 creation of alloys based on intermetallics. Part I. Materialovedenie. 1999, no. 2, pp. 27–33. (In Russ.).Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1978. 248 с.Bokshtein B.S. Diffusion in Metals and Alloys. Moscow: Metallurgiya, 1978, 248 p. (In Russ.).Bokstein B.S., Bokstein S.Z., Spitsberg I.T. Niself-diffusion in alloyed Ni3Al // Intermetallics. 1996. Vol. 4. No.7. P. 517–523. https://doi.org/10.1016/0966-9795(96)00038-6Bokstein B.S., Bokstein S.Z., Spitsberg I.T. Ni self-diffusion in alloyed Ni3 Al. Intermetallics. 1996, vol. 4, no. 7, pp. 517–523. https://doi.org/10.1016/0966-9795(96)00038-6Frank S., Rüsing J., Herzig Chr. Grain boundary self-diffusion of 63 Ni in pure boron-doped Ni3 Al // Intermetallics. 1996. Vol. 4. No. 8. P. 601−611. https://doi.org/10.1016/0966-9795(96)00058-1Frank S., Rüsing J., Herzig Chr. Grain boundary self-diffusion of 63 Ni in pure boron-doped Ni3 Al. Intermetallics. 1996, vol. 4, no. 8, pp. 601–611. https://doi.org/10.1016/0966-9795(96)00058-1

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