Введение

В настоящее время, в эру непрерывно развивающихся технологий, требования, предъявляемые к двигателям нового поколения, значительно увеличились. Необходимы более высокая степень сжатия воздуха на входе в турбину, повышение ресурса, увеличение температуры газа на выходе из турбины. К решению этих задач специалисты подходят с разных сторон: одной из них является совершенствование конструкции газотурбинного двигателя (ГТД), а другой – переход к новым перспективным материалам, отвечающим заданным параметрам [1‒5].

Среди большого количества интерметаллидов с привлекательными свойствами интерес вызывает B2-упорядоченное соединение NiAl и сплавы на его основе [6‒9]. По сравнению с применяемыми в настоящее время суперсплавами на основе никеля сплавы на основе NiAl имеют ряд преимуществ по термофизическим свойствам [10, 11]. Это соединение имеет более высокую температуру плавления (1674°С), значительно более низкую плотность (5,86 г/см³) и более высокую теплопроводность (76 Вт/(м·К)) при комнатной температуре, а также обладает высокой жаростойкостью, которая может быть улучшена путем легирования иттрием и такими элементами, как цирконий и гафний [12–17]. Однако применение сплавов на основе NiAl в качестве материалов для деталей ГТД сопровождается рядом ограничений: при комнатной температуре – низкие пластичность и сопротивление разрушению, при повышенных – низкие прочность и сопротивление ползучести. Для достижения желаемого баланса свойств проведен ряд исследований [18, 19].

Известно, что термическая обработка значительно влияет на морфологию, размер, объемную долю и распределение упрочняющей фазы [20, 21]. Таким образом, механические свойства могут быть значительно улучшены при правильно подобранной термической обработке. В работе исследовали влияние термической обработки на микроструктуру и механические свойства сплава на основе интерметаллида NiAl.

Материалы и методы

В качестве материала для исследований использовали образцы с направленной столбчатой структурой, полученные методом ВГНК. Для проведения эксперимента отлиты заготовки из композиции на основе NiAl, дополнительно легированные Co, Re и Ta, причем общее содержание легирующих элементов не превышает 14% (атомн.).

Выплавку прутковых (шихтовых) заготовок исследуемых композиций проводили вакуумным индукционным (ВИ) методом, мерные шихтовые заготовки переплавляли методом высокоградиентной направленной кристаллизации (ВГНК) на установках типа УВНЭС. Высокоградиентная направленная кристаллизация благодаря формированию однородной тонкодендритной структуры с меньшими дендритной ликвацией и пористостью позволяет получить более высокий уровень механических свойств жаропрочных сплавов [22].

Микроструктуру выбранных интерметаллидных композиций исследовали на растровом электронном микроскопе JSM-840. Локальный химический состав определяли методом количественного микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на аппарате Суперпроб-733 (JCMA-733, фирма Jеоl, Япония). Анализ проводили на нетравленых шлифах. Фотографии микроструктуры выполнены в специальном режиме СОМРО, контраст изображения в котором создается за счет разницы средних атомных номеров фаз (Z) – чем выше Z, тем более светлой выглядит фаза на фотографии.

Температуры солидус и ликвидус сплава определяли методом дифференциального термического анализа (ДТА) на установке DSC 404 F1 при нагреве и охлаждении в среде гелия со скоростью 20 К/мин.

Статические испытания при растяжении с определением времени до разрушения проводили на компьютеризированных стендах ZST2/3-ВИЭТ в соответствии с требованиями ГОСТ 10145 «Металлы. Метод испытания на длительную прочность».

Результаты

Микроструктура сплава в литом состоянии

Микроструктура сплава на основе интерметаллида NiAl в исходном литом состоянии состоит из β-, γ′- и γ-фаз и имеет характерное дендритное строение (рис. 1, а). В объеме β-фазы присутствуют игольчатые выделения γ′-фазы разной степени дисперсности (рис. 1, б). В образцах наблюдаются частицы дополнительной фазы, содержащей тантал (рис. 1, в). В междендритных участках находятся крупные фазовые образования, в центре которых расположена эвтектическая смесь γ′- и γ-фаз, а по краям – γ′-фаза (см. рис. 1, в).

Рисунок 1. Микроструктура интерметаллидного сплава системы Ni–Al–Co–Re–Tа в литом состоянии

Микроструктура сплава после термической обработки

Анализ кривых дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) сплава на основе интерметаллида NiAl позволил определить температуры фазовых превращений (табл. 1), исходя из значений которых выбраны экспериментальные режимы термической обработки заготовок:

– режим 1: T_S=120°С в течение 2 ч с последующим старением при 800°С в течение 5 ч;

– режим 2: T_S=90°С в течение 2 ч с последующим старением при 800°С в течение 5 ч.

Таблица 1

Температуры фазовых превращений сплава на основе интерметаллида NiAl

После термической обработки по режиму 1 дендритное строение сплава сохраняется, происходит увеличение содержания игольчатой γ′-фазы в объеме β-фазы (рис. 2, а), а также увеличение размеров крупных фазовых образований (эвтектика (γ′+γ)) в междендритной области (рис. 2, б, в). В образцах после термической обработки наряду с крупными частицами эвтектики присутствуют мелкие частицы, расположенные в осях дендритов, в центре которых наблюдается повышенная концентрация «тяжелых» элементов (рис. 2, г).

Рисунок 2. Микроструктура интерметаллидного сплава системы Ni–Al–Co–Re–Tа после термической обработки по режиму: T_S=120°С в течение 2 ч с последующим старением

После термической обработки по режиму 2 микроструктура сплава становится более однородной, в осях дендритов увеличивается количество игольчатых выделений γ′-фазы, при этом выделения становятся тоньше (рис. 3, а, б, г). В межосном пространстве частично растворяется (γ′+γ)-эвтектика (рис. 3, в), а также происходит полное растворение упрочняющей фазы, содержащей Ta, что, по-видимому, отрицательно скажется на уровне прочности сплава.

По результатам проведенных исследований установлено, что:

– после термической обработки по режиму 2 (T_S=90°С в течение 2 ч с последующим старением) наблюдается большее по сравнению с режимом 1 (T_S=120°С в течение 2 ч с последующим старением) растворение эвтектических фазовых образований (g¢+g), что может привести к снижению уровня пластичности сплава;

– после термической обработки по режиму 2 происходит растворение упрочняющей фазы, содержащей Ta, что, по-видимому, отрицательно скажется на уровне прочности сплава.

 Рисунок 3. Микроструктура интерметаллидного сплава системы Ni–Al–Co–Re–Tа после термической обработки по режиму: T_S=90°С в течение 2 ч с последующим старением

Исследование механических свойств сплава

на основе NiAl после термической обработки

Проведено исследование влияния режимов термической обработки на кратковременную прочность и пластичность при комнатной температуре и при 1300°С образцов из интерметаллидного сплава системы Ni–Al–Co–Ta–Re. Результаты испытаний механических свойств приведены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства образцов из интерметаллидного сплава системы Ni–Al–Co–Ta–Re

Показано, что значения предела прочности и относительного удлинения образцов, термообработанных по режиму 1, значительно превышают показатели образцов, термообработанных по режиму 2, следовательно данный режим термообработки позволяет получить более термостабильную (устойчивую) структуру сплава, работоспособного в большем диапазоне температур.

Микроструктура образца сплава на основе интерметаллида NiAl после механических испытаний при растяжении показана на рис. 4.

Рисунок 4. Микроструктура образца интерметаллидного сплава системы Ni–Al–Co–Re–Tа после испытаний при растяжении

В результате исследования установлено, что разрушение сплава начинается в межосном пространстве на границе эвтектики (g¢+g) и матрицы с появления микропор в местах образования дислокационных скоплений, возникающих под воздействием приложенного напряжения. В осях дендритов происходит вытягивание частиц g¢-фазы вдоль направления действия растягивающих напряжений.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что термическая обработка по режиму 1 способна повысить механические свойства сплава на основе интерметаллида NiAl. Это связано со значительным влиянием термической обработки на микроструктуру сплава. Известно, что междендритные области являются основными местами зарождения и распространения трещин вследствие воздействия растягивающих напряжений. Термическая обработка способствует выравниванию грубой дендритной структуры и снижению ликвационной неоднородности, а следовательно, повышению сопротивлению ползучести и увеличению времени до разрушения. При термической обработке по режиму 2 происходит растворение упрочняющей фазы, содержащей Ta, что неблагоприятно сказывается на прочности сплава.

Обсуждение и заключения

Исследовано влияние различных режимов термической обработки на микроструктуру, прочность и пластичность сплава системы Ni–Al–Co–Re–Ta.

Показано, что микроструктура сплава была улучшена после термической обработки – она стала более однородной благодаря снижению ликвационной неоднородности.

Значения предела прочности и относительного удлинения образцов, термообработанных по режиму 1 (T_S=120°С в течение 2 ч с последующим старением), значительно превышают показатели образцов, термообработанных по режиму 2 (T_S=90°С в течение 2 ч с последующим старением). Из этого следует, что данный режим термообработки позволяет получить более термостабильную (устойчивую) структуру сплава, работоспособного в более широком диапазоне температур.