blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-3-332-339blackmet-2737Research ArticleСТАЛИ ОСОБОГО НАЗНАЧЕНИЯSUPERDUTY STEELОпределение влияния водорода на изменение микротвердости и характеристик микроструктуры образцов авиационных сплавовDetermination of hydrogen influence on microhardness and microstructure characteristics of aviation alloyshttps://orcid.org/0009-0009-0228-7379СаулинД. В.SaulinD. V.

Дмитрий Владимирович Саулин, к.т.н., доцент кафедры «Химические технологии»

Россия, 614990, Пермь, Комсомольс­кий пр., 29

Dmitrii V. Saulin, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Chemical Engineering”

29 Komsomolskii Ave., Perm 614990, Russian Federation

sdv_perm@mail.ruКузьминыхК. Г.KuzminykhK. G.

Константин Геннадьевич Кузьминых, старший преподаватель кафедры «Химические технологии»

Россия, 614990, Пермь, Комсомольс­кий пр., 29

Konstantin G. Kuzminykh, Senior Lecturer of the Chair “Chemical En­gineering”

29 Komsomolskii Ave., Perm 614990, Russian Federation

kgkuz@mail.ruПойловВ. З.PoilovV. Z.

Владимир Зотович Пойлов, д.т.н., профессор кафедры «Хими­ческие технологии», руководитель ЦКП «Центр наукоемких химических технологий и физико-химических исследований»

Россия, 614990, Пермь, Комсомольс­кий пр., 29

Vladimir Z. Poilov, Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Chair “Chemical Engineering”, Head of CUC “Center for High-tech Chemical Technologies and Physico-Chemical Research”

29 Komsomolskii Ave., Perm 614990, Russian Federation

vladimirpoilov@mail.ruПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation202416062024673332339Copyright © Саулин Д.В., Кузьминых К.Г., Пойлов В.З., 20242024Саулин Д.В., Кузьминых К.Г., Пойлов В.З.Saulin D.V., Kuzminykh K.G., Poilov V.Z.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/2737

В работе представлены результаты исследований влияния длительности воздействия водорода при атмосферном давлении и комнатной температуре на образцы двух авиационных сплавов. Один сплав (сплав 1) получен методом горячего изостатического прессования и используется для изготовления дисков ротора газовых турбин. Другой сплав (сплав 2) получен методом направленной кристаллизации и используется для изготовления лопаток газовых турбин. Установлено, что в ходе воздействия водорода на образцы сплавов в течение 1000 ч микротвердость образцов увеличивается, но при этом относительное увеличение микротвердости невелико, составляя 2,5 % для образца сплава 1 и 2 % для образца из сплава 2. Корреляционный анализ параметров дифрактограмм показал наличие положительных и отрицательных корреляционных статистически значимых связей между параметрами пиков дифрактограмм, длительностью воздействия водорода и микротвердостью образцов. У сплава 1 в процессе наводороживания наблюдается снижение ширины и увеличение высоты пиков дифрактограммы, что может быть связано со снижением количества дислокаций в зернах или их локальным накоп­лением на границах зерен материала. Напротив, у сплава 2 происходит расширение пиков, что может свидетельствовать об увеличении количества дислокаций в структуре зерен материала. Расчеты показали, что в процессе наводороживания размер кристаллита и плотность дислокаций у сплава 1 снижаются, но с задержкой по времени от начала процесса, а у сплава 2 монотонно увеличиваются, что соответствует тенденциям изменения микротвердости образцов в процессе наводороживания.

This paper presents results of the studies of hydrogen exposure duration influence on the characteristics of two aviation alloys at atmospheric pressure and room temperature. First alloy (alloy 1) was obtained by hot isostatic pressing, and was used for the manufacture of gas turbine rotor discs. Second alloy (alloy 2) was obtained by directional crystallization, and was used for the manufacture of gas turbine blades. It was determined that microhardness of the samples increased during 1000 h of hydrogen exposure duration. The relative increase of the microhardness was insignificant, and for the sample of alloy 1 it was 2.5 %, and for the sample of alloy 2 – 2 %. Correlation analysis of the XRD diagram parameters indicated positive and negative statistically significant relationships correlation between XRD diagrams peaks parameters, hydrogen exposure duration and microhardness of the samples. It was revealed that XRD diagrams peaks of alloy 1 were broadened and their heights increased during hydrogenation, which can be associated with a decrease of dislocations in the grains and their local accumulation at the grains boundaries. Conterwise, XRD diagrams peaks of alloy 2 were narrowed, which can indicate an increase of dislocations in the material grain structure. XRD diagrams processing demonstrated that the crystallite size and dislocation density for alloy 1 decreased with a delay from the hydrogenation start, but for alloy 2 these parameters monotonically increased, and it corresponds to microhardness changes trends of the samples during hydrogenation.

водородавиационные сплавымикротвердостькорреляционный анализдифрактограммаширина пиковплотность дислокацийразмер кристаллитовhydrogenaviation alloysmicrohardnesscorrelation analysisXRD diagrampeak widthdislocation densitycrystallite sizeРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на проведение фундаментальных научных исследований (проект FSNM-2023-0004).The results were obtained while fulfilling the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation for fundamental scientific research (project FSNM-2023-0004).ReferencesSun B., Lu W., Gault B., Ding R., Makineni S.K., Wan D., Wu C.-H., Chen H., Ponge D., Raabe D. Chemical heterogeneity enhances hydrogen resistance in high-strength steels. Nature Materials. 2021;20:1629–1634. https://doi.org/10.1038/s41563-021-01050-ySun B., Lu W., Gault B., Ding R., Makineni S.K., Wan D., Wu C.-H., Chen H., Ponge D., Raabe D. Chemical heterogeneity enhances hydrogen resistance in high-strength steels. Nature Materials. 2021;20:1629–1634. https://doi.org/10.1038/s41563-021-01050-yGonzalez M.S., Hernandez I.R. Review: Hydrogen embrittlement of metals and alloys in combustion engines. Tecnología en Marcha. 2018;31(2):3–13. http://dx.doi.org/10.18845/tm.v31i2.3620Gonzalez M.S., Hernandez I.R. Review: Hydrogen embrittlement of metals and alloys in combustion engines. Tecnología en Marcha. 2018;31(2):3–13. http://dx.doi.org/10.18845/tm.v31i2.3620Djukic M.B., Zeravcic V.S., Bakic G.M., Sedmak A., Rajicic B. Hydrogen damage of steels: A case study and hydrogen embrittlement model. Engineering Failure Analysis. 2015;58–2:485–498. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.05.017Djukic M.B., Zeravcic V.S., Bakic G.M., Sedmak A., Rajicic B. Hydrogen damage of steels: A case study and hydrogen embrittlement model. Engineering Failure Analysis. 2015;58–2:485–498. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.05.017Traidia A., Chatzidouros E., Jouiad M. Review of hydrogen-assisted cracking models for application to service lifetime prediction and challenges in the oil and gas industry. Corrosion Reviews. 2018;36(4):323–347. https://doi.org/10.1515/corrrev-2017-0079Traidia A., Chatzidouros E., Jouiad M. Review of hydrogen-assisted cracking models for application to service lifetime prediction and challenges in the oil and gas industry. Corrosion Reviews. 2018;36(4):323–347. https://doi.org/10.1515/corrrev-2017-0079Bruck S., Schippl V., Schwarz M., Christ H.-J., Fritzen C.-P., Weihe S. Hydrogen embrittlement mechanism in fatigue behavior of austenitic and martensitic stainless steels. Me­tals. 2018;8(5):339. https://doi.org/10.3390/met8050339Bruck S., Schippl V., Schwarz M., Christ H.-J., Fritzen C.-P., Weihe S. Hydrogen embrittlement mechanism in fatigue behavior of austenitic and martensitic stainless steels. Me­tals. 2018;8(5):339. https://doi.org/10.3390/met8050339Djukic M.B., Bakic G.M., Zeravcic V.S., Sedmak A., Rajicic B. Review: The synergistic action and interplay of hydrogen embrittlement mechanisms in steels and iron: Localized plasticity and decohesion. Engineering Fracture Mechanics. 2019;216:106528. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2019.106528Djukic M.B., Bakic G.M., Zeravcic V.S., Sedmak A., Rajicic B. Review: The synergistic action and interplay of hydrogen embrittlement mechanisms in steels and iron: Localized plasticity and decohesion. Engineering Fracture Mechanics. 2019;216:106528. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2019.106528Сергеев Н.Н., Сергеев А.Н., Кутепов С.Н., Гвоздев А.Е., Агеев Е.В. Анализ теоретических представлений о механизмах водородного растрескивания металлов и сплавов. Известия Юго-Западного государственного университета. 2017;21(3):6–33. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2017-21-3-6-33Sergeev N.N., Sergeev A.N., Kutepov S.N., Gvozdev A.E., Ageev E.V. A review of theoretical concepts of hydrogen cracking in metals and alloys. Proceedings of the Southwest State University. 2017;21(3):6–33. (In Russ.). https://doi.org/10.21869/2223-1560-2017-21-3-6-33Яковлев Ю.А., Полянский В.А., Седова Ю.С., Беляев А.К. Модели влияния водорода на механические свойства металлов и сплавов. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020;(3):136–160. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.3.13Yakovlev Yu.A., Polyanskii V.A., Sedova Yu.S., Be­­lya­ev A.K. Models of hydrogen influence on the mechanical properties of metals and alloys. PNRPU Mechanics Bulletin. 2020;(3):136–160. (In Russ.). https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.3.13Robertson I.M., Sofronis P., Nagao A., Martin M.L., Wang S., Gross D.W., Nygren K.E. Hydrogen embrittlement understood. Metallurgical and Materials Transactions A. 2015;46:2323–2341. https://doi.org/10.1007/s11661-015-2836-1Robertson I.M., Sofronis P., Nagao A., Martin M.L., Wang S., Gross D.W., Nygren K.E. Hydrogen embrittlement understood. Metallurgical and Materials Transactions A. 2015;46:2323–2341. https://doi.org/10.1007/s11661-015-2836-1Сергеев Н.Н., Кутепов С.Н. О взаимодействии водорода с дефектами кристаллической решетки в металлах и сплавах. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017;(4):131–141.Sergeev N.N., Kutepov S.N. On the interaction of hydrogen with lattice defects in metals and alloys. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2017;(4):131–141. (In Russ.).Вознесенская Н.М., Тонышева О.А., Леонов А.В., Дульнев К.В. Влияние водорода на свойства высокопрочной коррозионной стали ВНС65-Ш (18Х13Н4К4С2АМ3-Ш) и пути устранения водородной хрупкости. Труды ВИАМ. 2018;(10):3–9. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2018-0-10-3-9Voznesenskaya N.M., Tonysheva O.A., Leonov A.V., Dul’­nev K.V. Hydrogen influence on high-strength corrosion-resistant steel VNS65-Sh properties and ways of elimination of hydrogen embrittlement. Proceedings of VIAM. 2018;(10):3–9. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2307-6046-2018-0-10-3-9Connolly M., Martin M., Bradley P., Lauria D., Slifka A., Amaro R., Looney C., Park J.-S. In situ high energy X-ray diffraction measurement of strain and dislocation density ahead of crack tips grown in hydrogen. Acta Materialia. 2019;180:272–286. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.09.020Connolly M., Martin M., Bradley P., Lauria D., Slifka A., Amaro R., Looney C., Park J.-S. In situ high energy X-ray diffraction measurement of strain and dislocation density ahead of crack tips grown in hydrogen. Acta Materialia. 2019;180:272–286. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.09.020Chaki S.H., Malek T.J., Chaudhary M.D., Tailor J.P., Deshpande M.P. Magnetite Fe3O4 nanoparticles synthesis by wet chemical reduction and their characterization. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2015;6(3):035009. https://doi.org/10.1088/2043-6262/6/3/035009Chaki S.H., Malek T.J., Chaudhary M.D., Tailor J.P., Deshpande M.P. Magnetite Fe3O4 nanoparticles synthesis by wet chemical reduction and their characterization. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2015;6(3):035009. https://doi.org/10.1088/2043-6262/6/3/035009 Pushkarev S.S., Grekhov M.M., Zenchenko N.V. X-Ray diffraction analysis of features of the crystal structure of GaN/Al0.32Ga0.68N HEMT-heterostructures by the Williamson–Hall method. Semiconductors. 2018;52(6):734–738. https://doi.org/10.1134/s1063782618060209Pushkarev S.S., Grekhov M.M., Zenchenko N.V. X-Ray diffraction analysis of features of the crystal structure of GaN/Al0.32Ga0.68N HEMT-heterostructures by the Williamson–Hall method. Semiconductors. 2018;52(6):734–738. https://doi.org/10.1134/s1063782618060209Wang L., Cheng X., Peng H., Zhao P.W., Cai Z.X. Effect of tempering temperature on hydrogen embrittlement in V-containing low alloy high strength steel. Materials Letters. 2021;302:130327. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130327Wang L., Cheng X., Peng H., Zhao P.W., Cai Z.X. Effect of tempering temperature on hydrogen embrittlement in V-containing low alloy high strength steel. Materials Letters. 2021;302:130327. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130327Mote V., Purushotham Y., Dole B. Williamson-Hall analysis in estimation of lattice strain in nanometer-sized ZnO particles. Journal of Theoretical and Applied Physics. 2012;6:6. https://doi.org/10.1186/2251-7235-6-6Mote V., Purushotham Y., Dole B. Williamson-Hall analysis in estimation of lattice strain in nanometer-sized ZnO particles. Journal of Theoretical and Applied Physics. 2012;6:6. https://doi.org/10.1186/2251-7235-6-6Волков А.М., Востриков А.В., Бакрадзе М.М. Принципы создания и особенности легирования гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД. Труды ВИАМ. 2016;(8):2. http://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2016-0-8-2-2Volkov A.M., Vostrikov A.V., Bakradze M.M. Development principles and alloying features of P/M Ni-base superalloys for jet-engine disks application. Proceedings of VIAM. 2016;(8):2. (In Russ.). http://dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-8-2-2Колядов Е.В., Рассохина Л.И., Висик Е.М., Герасимов В.В., Филонова Е.В. Исследование монокристаллических рабочих турбинных лопаток из сплава ЖС32 с перспективной схемой охлаждения. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018;84(10):35–40. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-10-35-40Kolyadov E.V., Rassokhina L.I., Visik E.M., Gerasimov V.V., Filonova E.V. Study of single crystal turbine blades made of ZhS32 alloy with a promising scheme of cooling. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2018;84(10): 35–40. (In Russ.). https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-10-35-40Nagao A., Dadfarnia M., Somerday B.P., Sofronis P., Rit­chie R.O. Hydrogen-enhanced-plasticity mediated decohesion for hydrogen-induced intergranular and “quasi-cleavage” fracture of lath martensitic steels. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2018;112:403–430. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2017.12.016Nagao A., Dadfarnia M., Somerday B.P., Sofronis P., Rit­chie R.O. Hydrogen-enhanced-plasticity mediated decohesion for hydrogen-induced intergranular and “quasi-cleavage” fracture of lath martensitic steels. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2018;112:403–430. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2017.12.016Nagao A., Smith C.D., Dadfarnia V, Sofronis P., Robertson I.M. The role of hydrogen in hydrogen embrittlement fracture of lath martensitic steel. Acta Materialia. 2012;60(13–14):5182–5189. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.06.040Nagao A., Smith C.D., Dadfarnia V, Sofronis P., Robertson I.M. The role of hydrogen in hydrogen embrittlement fracture of lath martensitic steel. Acta Materialia. 2012;60(13–14):5182–5189. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.06.040

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