Неорганические материалы, 2020, T. 56, № 11, стр. 1183-1187

ВВЕДЕНИЕ

Интерметаллическое соединение Ni₃Al в ряду алюминидов отличается высокими значениями жаростойкости и стойкости к ползучести, к коррозии и окислению, что и определило его широкое применение в металлургии современных жаропрочных сплавов для производства авиационной и ракетной техники, в качестве компонента каталитических сплавов и матриц композиционных материалов [1, 2]. Интерметаллическое соединение Ni₃Al является основной упрочняющей фазой никелевых суперсплавов (γ'-фаза, упорядоченный твердый раствор), его содержание в современных сплавах достигает 0.89. Существенным ограничением применения Ni₃Al в современной технике является зернограничная хрупкость интерметаллида [3]. Проблема низкой пластичности является ключевой при разработке перспективных интерметаллических сплавов и композиционных материалов и решается применительно к конкретным условиям эксплуатации различными высокотехнологическими методами: легированием, направленной кристаллизацией и выращиванием монокристаллических изделий [4–10].

В то же время известно, что повышение пластичности и, соответственно, прочности интерметаллида Ni₃Al возможно путем измельчения его зеренной структуры. Теоретически показано, что для упорядоченных интерметаллических соединений, для которых характерна низкая пластичность при растяжении в результате разрушения по границам зерен, существует критический размер зерна, ниже которого происходит повышение трещинностойкости поликристалла (увеличивается коэффициент интенсивности напряжения K_1с, повышается пластичность) [11]. На примере полученных из фольг толщиной 300–500 мкм образцов интерметаллида Ni₃Al с размером зерна от 1 до 83 мкм показано, что измельчение зерна основной γ'-фазы сопровождается интенсивным увеличением пределов текучести и прочности при растяжении: при уменьшении размера зерна с 18 до 1.34 мкм пределы текучести и прочности при растяжении увеличиваются с 280 до 1254 МПа и с 350 до 1757 МПа соответственно [12]. Отмечается, что наиболее значимое увеличение предела прочности при одновременном снижении пластичности интерметаллида наблюдается при размере зерна менее 10 мкм. Сказанное относится к образцам Ni₃Al в виде тонких фольг, полученным либо методом направленной кристаллизации с последующей холодной прокаткой, либо методами контролируемой деформации литого интерметаллида для применения в производстве микросхем, микродатчиков, деталей тепловых испарителей, химических реакторов и т.п. [13]. Для получения массивных образцов интерметаллического соединения Ni₃Al с низкоразмерной зеренной структурой вопрос технологического обеспечения остается открытым.

Основными параметрами, оказывающими прямое влияние на кинетику зарождения и формирования зеренной структуры в металлах при охлаждении расплавов, являются температура и время, увеличение которых стимулирует рост зерна в металле. Применительно к алюминиду никеля к таким процессам относится высокотемпературный синтез интерметаллида под давлением в условиях объемной экзотермической реакции его образования в порошковой смеси исходных элементов. Технология высокотемпературного синтеза под давлением получила развитие с конца прошлого века как новое направление при изучении композитных керамических и интерметаллических материалов с низкоразмерной зеренной структурой [14]. Установлено, что механизм формирования низкоразмерных зеренных структур в условиях высокотемпературного синтеза под давлением определяется особенностями пластической и сдвиговой деформаций продукта синтеза на стадии его кристаллизации [15–17].

Целью настоящей работы являлось исследование зависимостей деформируемости продукта в процессе высокотемпературного синтеза интерметаллида Ni₃Al под давлением и размера зерна от времени задержки приложения давления и интенсивности деформации в пресс-форме.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Образцы интерметаллического соединения Ni₃Al синтезировали в порошковой смеси никеля с алюминием стехиометрического состава (размер частиц никеля ~2.0 мкм, алюминия ~1.0 мкм). Высокотемпературный синтез интерметаллида инициировали нагревом стальных цилиндрических пресс-форм с внутренним диаметром 60 мм токами высокой частоты со скоростью 10°С/мин до самовоспламенения порошковой прессовки. Величина давления на продукт синтеза (434 МПа) была определена экспериментально как обеспечивающая плотность синтезированных образцов, практически соответствующую эталонному значению без образования дефектов.

Образцы интерметаллида синтезировали на автоматизированном технологическом стенде, состоящем из гидравлического пресса с системой автоматического контроля величины давления, высокочастотным нагревом пресс-форм, таймером контроля времени приложения давления к продукту синтеза (рис. 1). С целью обеспечения возможности повышения интенсивности деформации продукта синтеза образцы интерметаллида синтезировали в режиме частичной экструзии продукта через калиброванные отверстия в нижней части пресс-форм диаметром 3, 4 и 5 мм.

Рис. 1.

Схема автоматизированного технологического стенда для высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni₃Al под давлением в контролируемых условиях с возможностью частичной экструзии продукта синтеза.

Фазовый анализ синтезированных образцов интерметаллида проводили на дифрактометре ДРОН-7 в CoK_α-излучении при ускоряющем напряжении 35 кВ и токе 20 мА. Статистические оценки размера зерна были проведены на образцах пластинчатой формы, вырезанных из центральной части цилиндрических компактов. Металлографические шлифы готовили механической шлифовкой с постепенным уменьшением размера алмазного абразива до 1 мкм, с последующим выявлением зеренной структуры методом химического травления в растворе состава 1.4 мл HNO₃ + 3.8 мл CH₃COOH + 2.4 мл H₃PO₄. Размер зерна определяли методом случайных секущих с усреднением по 150 измерениям. Микротвердость измеряли на микротвердомере Triboindenter TI 950 при нагрузке 100 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 представлены дифрактограммы эталонного образца интерметаллида Ni₃Al (1) и образцов, синтезированных с задержкой по времени приложения давления к продукту синтеза 0 (2), 0.3 (3), 1.0 (4) и 1.7 с (5). Можно констатировать, что фазовый состав синтезированных под давлением образцов интерметаллида соответствует эталонному Ni₃Al.

Рис. 2.

Дифрактораммы образцов интерметаллида Ni₃Al – эталонного (1) и синтезированных под давлением с различной задержкой по времени приложения давления к продукту синтеза: 0 (2), 0.3 (3), 1.0 (4) и 1.7 с (5).

На рис. 3 представлены зависимости величины линейного перемещения пуансона пресс-формы при постоянной величине давления на продукт высокотемпературного синтеза с задержкой приложения давления 0, 0.3, 1.0 и 1.7 с. Представленные зависимости имеют достаточно общий характер, но отличаются величинами линейного перемещения пуансона пресс-формы: с увеличением времени задержки уменьшается величина линейного перемещения пуансона. Другими словами, повышается сопротивление деформации продукта синтеза.

Рис. 3.

Зависимости величины линейного перемещения пуансона пресс-формы в процессе высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения при различном времени задержки приложения давления (τ_з) к продукту синтеза.

Сказанное подтверждается при рассмотрении зависимостей величины линейного перемещения пуансона пресс-формы от времени задержки приложения давления к продукту высокотемпературного синтеза при различном диаметре отверстий в пресс-формах для его экструзии (рис. 4). Увеличение диаметра отверстия повышает величину перемещения плунжера пресса при всех значениях времени задержки. Другими словами, увеличение диаметра отверстия для экструзии продукта повышает интенсивность его деформации в пресс-форме. Последнее оказывает непосредственное влияние на процессы формирования зеренной структуры в синтезированном под давлением интерметаллиде.

Рис. 4.

Зависимости величины линейного перемещения пуансона пресс-формы от времени задержки приложения давления при высокотемпературном синтезе интерметаллида Ni₃Al с частичной экструзией через отверстия диаметром 3, 4 и 5 мм.

На рис. 5 представлены зависимости размера зерна в синтезированных под давлением (1) и под давлением с частичной экструзией через отверстия диаметром 3, 4 и 5 мм (2–4) продуктах от времени задержки приложения давления. Характерной особенностью представленных зависимостей является уменьшение размера зерна в интерметаллиде при переходе от синтеза под давлением к синтезу с частичной экструзией продукта при всех исследованных временах задержки приложения давления. Размер зерна в синтезированных под давлением образцах тем меньше, чем больше размер отверстия в пресс-форме для экструзии продукта, т.е. чем выше интенсивность деформации продукта синтеза в пресс-форме. Представленным на рис. 5 зависимостям соответствует зависимость микротвердости от размера зерна в синтезированном под давлением интерметаллиде (рис. 6). С уменьшением размера зерна от 5.25 до 3.7 мкм микротвердость интерметаллида увеличивается с 290 до 336 МПа. Последнее позволяет предполагать, что повышение интенсивности деформации продукта высокотемпературного синтеза инициирует увеличение числа зародышей зеренной структуры и, в конечном счете, формирование более мелкозернистой структуры.

Рис. 5.

Зависимости размера зерна от времени задержки приложения давления в образцах интерметаллида Ni₃Al, синтезированных под давлением (1) и с частичной экструзией через отверстия диаметром 3 (2), 4 (3) и 5 мм (4).

Рис. 6.

Зависимость микротвердости от размера зерна в синтезированном интерметаллиде при задержке приложения давления к продукту синтеза 1.7 c.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ключевыми параметрами процесса высокотемпературного синтеза под давлением интерметаллического соединения Ni₃Al, влияющими на размерность его зеренной структуры, являются время задержки приложения давления и интенсивность деформирования. Размер зерна в синтезированном под давлением интерметаллиде уменьшается с увеличением времени задержки приложения давления и с повышением интенсивности деформирования продукта высокотемпературного синтеза. Полученные в работе закономерности могут быть использованы при разработке практических технологий производства высокопрочных интерметаллических сплавов с низкоразмерной зеренной структурой.