Неорганические материалы, 2019, T. 55, № 10, стр. 1046-1050

ВВЕДЕНИЕ

Интерметаллическое соединение Ni₃Al является основой широкого спектра современных сплавов, предназначенных для эксплуатации в условиях тепловых и силовых нагрузок: в качестве ковочных штампов, деталей турбокомпрессоров и двигателей внутреннего сгорания, лопаток турбин реактивных двигателей и компонентов камеры сгорания, теплообменников, микрореакторов и т.п. [1–3]. Повышение прочностных свойств интерметаллических сплавов в широком диапазоне температур их эксплуатации является актуальной задачей, связанной с повышенной хрупкостью интерметаллического компонента сплавов, содержание которого в современных никелевых суперсплавах может достигать 89% [4]. Повышение пластичности и, соответственно, прочности интерметаллического соединения Ni₃Al возможно либо путем его легирования (например, бором [5, 6]), либо измельчением его зеренной структуры. В [7] на примере полученного методом литья с последующей прокаткой и рекристаллизацией легированного цирконием и бором интерметаллического соединения Ni₃Al показано, что уменьшение размера зерна c 83 до 1 мкм повышает в 14 раз пластичность, в 3.5 раза предел текучести и в 5 раз предел прочности интерметаллида при его растяжении при комнатной температуре. Применение известных методов интенсивной деформации [8–10] для измельчения зерна в низкопластичном интерметаллическом соединении Ni₃Al очень ограничено, но возможно в условиях объемной экзотермической реакции образования интерметаллида в порошковой смеси никеля и алюминия [11]. Совмещение процессов высокотемпературного синтеза и пластической деформации продукта возможно в двух технологических вариантах: синтез интерметаллида под давлением в пресс-форме без (а) и с частичной экструзией продукта в процессе его синтеза (б) (рис. 1).

Реализация представленных на рис. 1 блок-схем высокотемпературного синтеза под давлением интерметаллического соединения Ni₃Al в закрытой пресс-форме (а) и с частичной экструзией продукта (б) позволяет оценить вклады в формирование зеренной структуры интерметаллида таких ключевых параметров, как величина предварительного нагружения порошковой смеси исходных элементов и степень деформации продукта.

Рис. 1.

Блок-схемы высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni₃Al в порошковой смеси никеля с алюминием стехиометрического состава под давлением (а) и под давлением c частичной экструзией (б).

Целью настоящей работы явилось исследование характера распределения зерен по размерам на вертикали от нижней до верхней плоскости в центре синтезированного под давлением интерметаллического компакта Ni₃Al, зависимости указанного распределения от величины предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь и деформации продукта высокотемпературного синтеза в условиях объемной экзотермической реакции образования интерметаллида, а также влияния технологического варианта высокотемпературного синтеза (рис. 1а и 1б) на температурную зависимость прочности синтезированного интерметаллида.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных материалов для высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni₃Al использовали порошки никеля (ПНК 1Л8, размер частиц ~2.0 мкм) и алюминия (АСД-4, размер частиц ~1.0 мкм). Порошковую смесь стехиометрического состава 3Ni + Al помещали в стальную цилиндрическую пресс-форму с внутренним диаметром 60 мм, которую нагревали токами высокой частоты. Инициирование в порошковой смеси реакции образования интерметаллического соединения синхронизировали с включением гидравлического пресса в режиме компактирования продукта синтеза.

Фазовый состав синтезированного интерметаллида исследовали на рентгеновском дифрактометре ДРОН-7 в CoK_α-излучении при ускоряющем напряжении 35 кВ и токе 20 мА. Зеренную структуру и микротвердость синтезированных интерметаллидов исследовали по вертикали на вырезанных из центральной части образцов пластинчатой формы (рис. 2).

Рис. 2.

Схема подготовки образцов из синтезированных интерметаллидов для исследования фазового состава, зеренной структуры и микротвердости.

Металлографические шлифы готовили механической шлифовкой с постепенным уменьшением размера алмазного абразива до 1 мкм. Зеренную структуру выявляли травлением ионами аргона при ускоряющем напряжении 0.6 кВ. Размер зерна определяли методом случайных секущих с усреднением по 150 измерениям. Микротвердость измеряли на моторизированном микротвердомере Triboindenter TI 950 при нагрузке 0.98 Н. Испытания на растяжение образцов интерметаллида проводили на машине LFM125 (Walter+Bai ag Testing Machines, Switzerland) со скоростью деформации 3 × 10^–4 с^–1 (при размерах рабочей части образцов 10 × 3 × 1.2 мм).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 представлены дифрактограммы, полученные с эталона (1) и с синтезированного под давлением интерметаллического образца – с центральной (2) и с периферийной (3) его частей. Видно, что высокотемпературный синтез под давлением обеспечил полное превращение исходной порошковой смеси в интерметаллическое соединение Ni₃Al заданного фазового состава во всем объеме.

Рис. 3.

Дифрактограммы эталонного (1) и синтезированного под давлением (2 – центральная и 3 – периферийная части) образцов интерметаллида Ni₃Al.

Результаты исследования зеренной структуры в образцах синтезированного под давлением интерметаллида при различных значениях предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь представлены на рис. 4. Общей чертой представленных на рис. 4а и 4б зависимостей является увеличение среднего размера зерна, и снижение микротвердости при перемещении от внешней поверхности к центральной части образца с последующим уменьшением среднего размера зерна и увеличением микротвердости при смещении к его противоположной поверхности. Изменение величины предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь оказывает значительное влияние на абсолютные значения среднего размера зерна и микротвердости: с увеличением предварительной нагрузки снижается средний размер зерна и повышается микротвердость по всему поперечному сечению синтезированных интерметаллических образцов.

Рис. 4.

Изменение среднего размера зерна (а) и микротвердости (б) по поперечному сечению синтезированных образцов интерметаллида Ni₃Al при заданных значениях предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь.

Деформация продукта высокотемпературного синтеза в режиме его частичной экструзии из пресс-формы в состоянии экзотермической реакции образования интерметаллида оказывает еще более значительное влияние на изменение среднего размера зерна и микротвердости по поперечному сечению образцов Ni₃Al при заданных значениях предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь. На рис. 5 представлены зависимости среднего размера зерна (а) и микротвердости (б) в синтезированных под давлением образцах при предварительной нагрузке 32.6 МПа на исходную порошковую смесь без и с частичной (20%) экструзией продукта высокотемпературного синтеза.

Рис. 5.

Изменение среднего размера зерна (а) и микротвердости (б) синтезированных под давлением без и с частичной экструзией продукта синтеза по поперечному сечению образцов интерметаллида Ni₃Al при заданных значениях предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь.

Видно, что при сравнительно низкой величине предварительного нагружения исходной порошковой смеси (32.6 МПа) средний размер зерна увеличивается при смещении от верхней поверхности синтезированного интерметаллического образца к его центральной части и снижается при дальнейшем смещении к нижней поверхности, при этом микротвердость снижается к центральной части и вновь повышается при смещении к нижней поверхности образца. Отличительной особенностью является кратное снижение размера зерна в центральной части синтезированного образца в случае деформирования с частичной экструзией продукта высокотемпературного синтеза. При этом уменьшается разброс размера зерен по высоте образца.

Представленные данные свидетельствуют о том, что процесс формирования зеренной структуры в интерметаллическом соединении Ni₃Al в условиях его высокотемпературного синтеза под давлением зависит от двух ключевых факторов: градиента температуры в объеме порошковой смеси и пластической деформации образующегося продукта. Градиент температуры в объеме порошковой смеси обусловлен разностью температур нагрева ее периферийной и центральной частей в результате преимущественной теплоотдачи от периферийной части стенке стальной пресс-формы. С увеличением сжатия смеси повышаются плотность и теплопроводность продукта синтеза, увеличивается отток тепла от образовавшегося продукта синтеза, замедляется и прекращается в первую очередь рост зерна в периферийной части интерметаллида, формируется распределение зерен по размерам с максимальной величиной зерна в центральной части и минимальной на периферии. В случае деформации продукта синтеза с его частичной экструзией из пресс-формы в объеме порошковой смеси происходят множественные сдвиги микрообъемов экзотермической реакции образования интерметаллического соединения относительно друг друга с дополнительным перемешиванием, что приводит к снижению эффективной энергии активации как функции поверхности контакта между частицами никеля и алюминия и ускорению реакции высокотемпературного синтеза интерметаллида во всем объеме [12]. В результате увеличивается количество центров кристаллизации интерметаллического соединения и, в конечном счете, уменьшается размер зерен при более равномерном их распределении по размерам в объеме синтезированного интерметаллида.

Полученное различие в размерах зерен в синтезированных образцах оказывает значительное влияние на температурную зависимость их прочности: в результате деформации продукта высокотемпературного синтеза прочность синтезированного под давлением интерметаллического соединения в значительной мере повышается во всем исследованном температурном интервале (рис. 6).

Рис. 6.

Температурные зависимости прочности при растяжении синтезированного под давлением без и с частичной экструзией интерметаллического соединения Ni₃Al.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Формирование зеренной структуры интерметаллического соединения Ni₃Al в исходной порошковой смеси в режиме объемной экзотермической реакции под давлением определяется двумя ключевыми параметрами: величиной предварительной нагрузки на порошковую смесь и деформацией продукта высокотемпературного синтеза с его частичной экструзией из пресс-формы. В результате образования в порошковой смеси температурного градиента формирование зеренной структуры происходит от периферийной части к центральной с минимальными размерами зерна на периферии и максимальными в центральной части синтезированного образца. С увеличением предварительной нагрузки на порошковую смесь абсолютные значения размера зерна уменьшаются при сохранении общего характера распределения зерен по размерам в объеме синтезированного интерметаллида. Деформация продукта высокотемпературного синтеза с его частичной экструзией из пресс-формы кратно уменьшает абсолютные значения размера зерен в синтезированном под давлением интерметаллическом соединении Ni₃Al, одновременно усредняя распределение зерен по размерам в объеме. Деформация продукта высокотемпературного синтеза оказывает значительное влияние на температурную зависимость прочности интерметаллида при растяжении: прочность повышается во всем исследованном температурном интервале (до 1000°С).

БЛАГОДАРНОСТЬ

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Российской академии наук на 2013–2020 годы (проект № 23.2.2).