ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА, ЛЕГИРОВАННОГО РЕНИЕМ И ЛАНТАНОМ, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Свойства жаропрочных никелевых сплавов для современного машиностроения определяются термической стабильностью структуры, размерами, формой и количеством упрочняющей γ′-фазы, прочностными характеристиками γ-твердого раствора. Такие сплавы упрочняют путем легирования рением и лантаном. Целью работы являлись качественные и количественные исследования структуры и  фазового состава никелевого жаропрочного сплава, дополнительно легированного рением (0,4  % ат.) и лантаном (0,006  %  ат.). Исследования проводили двумя методами: просвечивающей дифракционной электронной микроскопии и растровой электронной микроскопии. Исследование структуры сплава проводили в трех состояниях: образец 1 – исходное состояние (после направленной кристаллизации (НК)); образец 2 – НК, отжиг при температуре 1150  °С в течение 1  ч, отжиг при температуре 1100  °С в течение 480  ч; образец 3  – НК, отжиг при температуре 1150  °С в течение 1  ч, отжиг при температуре 1100 °С в течение 1430 ч. Исследования показали, что наблюдаемые в супер-сплаве фазы можно классифицировать на основные и вторичные. Основными фазами являются γ′ и γ. Они формируют структуру сплава и присутствуют в виде квазикубоидов γ′-фазы, разделенных прослойками γ-фазы. Остальные фазы являются вторичными. Выявлено, что легирование рением и лантаном приводит к появлению вторичных фаз, а именно: β-NiAl, AlRe, NiAl₂ Re; σ; χ; Ni₃La₂ . Образование вторичных фаз вносит серьезное нарушение в структуру квазикубоидов (γ  +  γ′)-фаз. Рений и лантан не заполняют однородно весь объем сплава, а присутствуют лишь в локальных участках. Поэтому во всех трех состояниях сплава нарушенной оказалась лишь часть объема квазикубоидов (γ  +  γ′)-фаз. Изучена морфология вторичных фаз. Обнаружено, что частицы σ-фазы – это тонкие иглы, в то время как частицы Ni₃La₂ имеют внутреннюю структуру с характерным контрастом и имеют конечную толщину. Интересной особенностью является то, что σ-фаза и фаза Ni₃La₂ выделяются в одних и тех же местах. Установлено, что введение лантана и рения изменяет фазовый состав сплава, подавляя образование γ-фазы. Частицы вторичных фаз локализованы в отдельных участках сплава с определенной периодичностью. Образующиеся вторичные фазы являются тугоплавкими: температура плавления β-фазы составляет приблизительно 1600  °C, σ-фазы  – 2600  °C, χ-фазы – 2800  °C. Образование вторичных тугоплавких фаз и их периодическое распределение в структуре способствует упрочнению суперсплава, легированного рением и лантаном.

1. Жаропрочные стали и сплавы. – М.: ВИАМ, 2012. – 60 с.

2. Ross E.W., Sims C.T. Nickel-Base Alloys. Superalloys II: High temperature materials for aerospace and industrial power. – New York, John Wiley & Sons, Inc., 1987. P. 97 – 133.

3. Симс Ч.Т., Столофф Н.С., Хагель В.Ц. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Ч. 1. – М.: Металлургия, 1995. – 384 c.

4. Герасимов В.В., Петрушин Н.В., Висик Е.М. Усовершенствование состава и разработка технологии литья монокристаллических лопаток из жаропрочного интерметаллидного сплава. Труды ВИАМ. 2015. № 3. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=783 (Дата обращения 02.02.2017 г.).

5. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон и др. – М.: Мир, 1968. – 574 с.

6. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. – М.: Металлургия, 1973. – 584 с.

7. Kozlov E.V., Nikonenko E.L., Popova N.A., Koneva N.A. Structure and Composition of Higher-Rhenium-Content Superalloy Based on La-Alloyed Ni-Al-Cr // Advanced Materials with Hierarchical Structure for New Technologies and Reliable Structures AIP Conf. Proc. 2015. Vol. 1683. P. 020101-1 – 020101-4.

8. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник в 3-х т. Т. 2. / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.

9. Колобов Ю.Р., Каблов Е.Н., Козлов Э.В., Конева Н.А., Поварова К.Б., Грабовецкая Г.П., Бунтушкин В.П., Базылева О.А., Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Структура и свойства ин-терметаллидных материалов с нанофазным упрочнением / Под науч. ред. Е.Н. Каблова и Ю.Р. Колобова. – М.: Издательский Дом МИСиС, 2008. – 326 c.

10. Поварова К.Б., Казанская Н.К., Дроздов А.А., Морозов А.Е. Физико-химические закономерности взаимодействия алюминидов никеля с легирующими элементами. Ч. 1. Образование твердых растворов на основе алюминидов никеля // Металлы. 2006. № 5. С. 58 – 71.

11. Reed R.C. The Superalloys – Fundamentals and Applications. – Cam bridge: Cambridge University Press, 2006. – 372 p.

12. Segersäll M. Nickel-based single-crystal superalloys. – Linköping, Sweden: 2013. – 56 p.

13. Göken, M., Kempf M. Microstructural properties of superalloys investigated by nanoindentation in an atomic force microscope // Acta Mat. 1999. Vol. 47. No. 3. P. 1043 – 1052.

14. Rae C.M.F., Reed R.C. The precipitation of topologically close-packed phases in rhenium-containing superalloys // Acta Materialia. 2001. Vol. 49. No. 19. Р. 4113 – 4125.

15. Kozlov E.V., Nikonenko E.L., Popova N.A., Koneva N.A. Effect of ther mal treatment and re-dopingon the volume fraction of the γ′ phase in complex-doped Ni-Al-Cr-based superalloy // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics. 2014. Vol. 78. No. 4. Р. 267 – 270.

16. Sugui T. Influence of element Re on lattice misfits and stress rupture properties of single crystal nickel-based superalloys // Materials Science and Engineering. 2010. Vol. 527. No. 16. P. 4458 – 4465

17. Nikonenko Е.L., Popova N.A., Koneva N.A., Kozlov E.V. Structure and phase composition of the superalloy on the basis of Ni-Al-Cr alloyed by Re and La // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 112. P. 012036 – 012040.

18. Volek A, .Pyczak F., Singer R.F., Mughrabi H. Partitioning of Re between γ and γ′-phase in nickel-base superalloys // Scripta Mat. 2005. No. 52. P. 141 – 145.

19. Kozlov E.V., Nikonenko Е.L., Popova N.A., Koneva N.A. Change in the phase composition and defect structure of a multicomponent ordered Ni-based alloy upon high-temperature annealing // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics. 2013. Vol. 77. No. 9. Р. 1108 – 1111.

20. Sato A., Harada H., Yokokawa T., Murakumo T., Koizumi Y., Kobayashi T., Imai H. The effects of ruthenium on the phase stability of fourth generation Ni-base single-crystal superalloy. Scripta Materialia. 2006. Vol. 54. P. 1679 – 1684.