Иридий в монокристаллических жаропрочных никелевых сплавах с рением (обзор)

Н.В. Петрушин , Э.Г. Римша , Е.С. Елютин , С.А. Луцкая
УДК
669.018.44:669.24
DOI
10.18577/2307-6046-2026-0-7-101-118
версия в формате pdf (1.4 МБ)
Цитирование
Н.В. Петрушин , Э.Г. Римша , Е.С. Елютин , С.А. Луцкая Иридий в монокристаллических жаропрочных никелевых сплавах с рением (обзор) // Труды ВИАМ. 2026. № 7. DOI: 10.18577/2307-6046-2026-0-7-101-118. URL: https://viam-works.ru/journal/2026/7/8
Ключевые слова
монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы, фазовая стабильность, ТПУ-фаза, длительная прочность, иридий, рутений, рений
Аннотация

Проведен анализ научно-технических литературных данных по влиянию иридия на структурно-фазовые характеристики, фазовую стабильность и высокотемпературную длительную прочность монокристаллических Re- и Re–Ru-содержащих жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС). Установлено, что иридий в ренийсодержащих ЖНС более эффективно, чем добавка рутения, стабилизирует γ/γʹ-микроструктуру в интервале температур 900−1100 °С, задерживая начало образования топологически плотноупакованной (ТПУ) фазы. В результате монокристаллические ренийсодержащие ЖНС, легированные иридием, имеют более длительный ресурс сопротивления высокотемпературной ползучести, чем таковые сплавы с рутением.

 

Текст статьи будет позднее

Литература
  1. Петрушин Н.В., Оспенникова О.Г., Светлов И.Л. Монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток перспективных ГТД // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 72–103. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-72-103.
  2. Елютин Е.С. Разработка жаропрочных никелевых сплавов V и VI поколений с повышенной длительной прочностью для монокристаллических лопаток перспективных авиационных ГТД: автореф. дис. … к.т.н. М., 2023. 28 с.
  3. Авиационные материалы: справочник в 13 т., 7-е изд., перераб. и доп. / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, 2022. Т. 3: Литейные жаропрочные и интерметаллидные сплавы на никелевой основе. 192 с.
  4. Walston S., Cetel A., MacKay R. et al. Joint development of a fourth generation single crystal superalloy // Superalloys 2004. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2004. P. 15–24.
  5. Caron P. High γ′ solvus new generation nickel-based superalloys for single crystal turbine blade applications // Superalloys 2000. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2000. P. 737–746.
  6. Argence D., Vernault C., Desvallées Y., Fournier D. MC-NG: A 4th generation single-crystal superalloy for future aeronautical turbine blades and vanes // Superalloys 2000. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2000. P. 829–837.
  7. Koizumi Y., Kobayashi T., Yokokawa T. et al. Development of next-generation Ni-base single crystal superalloys // Superalloys 2004. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2004. P. 35–43.
  8. Fifth generation nickel base single crystal superalloy TMS-196 / Developed under NIMS/IHI collaboration. 2006. 4 p. URL: http://sakimori.nims.go.jp (дата обращения: 24.01.2025).
  9. Sato A., Harada H., Yeh An-C. et al. A 5th generation SC superalloy with balanced high temperature properties and processability // Superalloys 2008. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2008. P. 131–138.
  10. Kawagishi K., Yeh An-C., Yokokawa T. et al. Development of an oxidation-resistant high-strength sixth-generation single-crystal superalloy TMS-238 // Superalloys 2012. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2012. P. 189–195.
  11. Yokokawa T., Harada H., Kawagishi K. et al. Advanced alloy design program and improvement of sixth-generation Ni-base single crystal superalloy TMS-238 // Superalloys 2020. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2020. P. 122–130. DOI: 10.1007/978-3-030-51834-9_12.
  12. Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А., Нарский А.Р. Развитие технологий и оборудования для получения лопаток горячего тракта газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой // Труды ВИАМ. 2023. № 7 (125). С. 3–14. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 28.11.2025). DOI: 10.18577/2307-6046-2023-0-7-3-14.
  13. Svetlov I.L., Petrushin N.V., Zaitsev D.V. et al. Evolution of microstructure and phase composition of single crystals of nickel-based superalloy in the process of high-temperature creep // Physics of Metals and Metallography. 2025. Vol. 126. No. 1. P. 35–41. DOI: 10.1134/S0031918X24602592.
  14. Harada H. Development of Superalloys for 1700 °C ultra-efficient gas turbines // Proceedings of 9th Liege Conference «Materials for Advanced Power Engineering 2010». Belgium: University of Liège, 2010. P. 604–614.
  15. Huang M., Zhu J. An overview of rhenium effect in single-crystal superalloys // Rare Metals. 2016. Vol. 35. No. 2. P. 127–139. DOI: 10.1007/s12598-015-0597-z.
  16. Neubauer C.M., Mari D., Dunand D.C. Diffusion in nickel-rhenium system // Scripta Metallugica at Materialia. 1994. Vol. 31. No. 1. P. 99–104. DOI: 10.1016/0956-716X(94)90102-3.
  17. Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Епишин А.И., Елютин Е.С. Развитие метода направленной кристаллизации для решения задач физического металловедения никелевых и кобальтовых жаропрочных сплавов. Часть 2 // Труды ВИАМ. 2025. № 6 (148). С. 13–30. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 11.12.2025). DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-6-13-30.
  18. Епишин А.И., Родин А.О., Бокштейн Б.С., Светлов И.Л. Взаимная диффузия в бинарных сплавах системы Ni–Re // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116. № 2. С. 184–190. DOI: 10.7868/S0015323015020138.
  19. Ding Q., Li S., Chen L.-Q. et al. Re segregation at interfacial dislocation network in nickel-base superalloys // Acta Materialia. 2018. Vol. 154. P. 137–146. DOI: 10.1016/j.actamat.2018.05.025.
  20. Светлов И.Л., Петрушин Н.В., Епишин А.И., Карашаев М.М., Елютин Е.С. Монокристаллы жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением и рутением (обзор). Часть 1 // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 1 (70). С. 30–50. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 11.12.2025). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-1-30-50.
  21. Светлов И.Л., Петрушин Н.В., Епишин А.И., Карашаев М.М., Елютин Е.С. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов, легированных рением и рутением (обзор). Часть 2 // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 2 (71). С. 3–22. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 11.12.2025). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-2-3-22.
  22. Matuszewski K., Rettig R., Singer R. The effect of Ru on precipitation of topologically close packed phases in Re-containing Ni base superalloys: quantitative FIB-SEM investigation and 3D image modeling // Proceedings of 2nd European Symposium on Superalloys and their Applications (Eurosuperalloys 2014). MATEC Web of Conferences. 2014. Vol. 14. DOI: 10.1051/matecconf/20141409001.
  23. Yu X.X., Wang C.Y., Zhang X.N. et al. Synergistic effect of rhenium and ruthenium in nickel-base superalloys // Journal of Alloys and Compounds. 2004. Vol. 51. P. 327–331. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.07.201.
  24. Светлов И.Л., Петрушин Н.В., Епишин А.И., Елютин Е.С. Синергическое влияние рения и рутения на длительную прочность монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов III–IV поколений // Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. № 8. С. 888–894. DOI: 10.31857/S0015323022080137.
  25. Свойства элементов: справочник в 2 ч. 2-е изд. М.: Металлургия, 1976. Ч. 1: Физические свойства. 600 с.
  26. Yuan Y., Kawagishi K., Koizumi Y. et al. Creep deformation of a 6th generation Ni-base single crystal superalloy at 800 °C and 735 MPa // Superalloys 2016. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2016. P. 675–682.
  27. Pyczak F., Devrient B., Mughrabi H. The effects of different alloying elements on the thermal expansion coefficients, lattice constants and misfit of nickel-based superalloys investigated by X-ray diffraction // Superalloys 2004. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2004. P. 827–836.
  28. Wei B., Lin Y., Huang Z. et al. A novel Re-free Ni-based single-crystal superalloy with enhanced creep resistance and microstructure stability // Acta Materialia. 2022. Vol. 240. Art. 118336. DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118336.
  29. Ханикомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972. 408 с.
  30. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник в 3 т. М.: Машиностроение, 1999. Т. 3, кн. 1. 872 с.
  31. Барабаш О.М., Коваль Ю.Н. Кристаллическая структура металлов и сплавов. Киев, Наукова думка, 1986. 598 с.
  32. Velikanova T.Ya., Mazhuga T.G., Semonova O.L. et al. Phase Diagram of the Ni-Os System // Metallurgical Metal Ceramics. 2002. Vol. 41 (5–6). P. 288–295.
  33. Okamoto H. Ni-Os (Nickel-Osmium) // Journal Equilibria and Diffusion. 2009. Vol. 30. P. 662. URL: https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Ni-Os (дата обращения: 22.12.2025).
  34. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховицкий А.А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах М.: Металлургия, 1974. 279 с.
  35. Murakami H., Honma T., Koizumi Y., Harada H. Distribution of platinum group in Ni-base single-crystal superalloys // Superalloys 2000. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2000. P. 747–756.
  36. Reed R.C., Yeh A.C., Tin S. et al. Identification of the partitioning characteristics of ruthenium in single crystal superalloys using atom probe tomography // Scripta Materialia. 2004. Vol. 51. P. 327–333. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2004.04.019.
  37. Mori Y., Yokokawa T., Kobayashi T. et al. Microstructure and creep strength of the Ni-base single crystal superalloys containing Ir substituting for Ru // The 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9). The Japan Institute of Metals and Materials, 2016. P. 765–769.
  38. Murakami H., Osawa M., Yokokawa T. et al. The location of atoms in Ir-containing Ni-base single-crystal superalloys // Materials for Advanced Power Engineering 1998: Proceeding of the 6th Liége Conference. Universite de Liége, 1998. P. 1139–1145.
  39. Yokokawa T., Osawa M., Nishida K. et al. Partitioning behavior of platinum group metals on the γ and γ′ phases of Ni-base superalloys at high temperatures // Scripta Materialia. 2003. Vol. 49. P. 1041–1046.
  40. Kobayashi T., Koizumi Y., Nakazawa S. et al. Design of high rhenium containing single-crystal superalloys with balanced intermediate and high temperature creep strengths // Proceedings of the Fourth International Charles Parsons Turbine Conference on «Advances in Turbine Materials, Design and Manufacturing». Newcastle upon Tyne, UK, 1997. P. 766–773. URL: https://sakimori.nims.go.jp/documents/990225c.html (дата обращения: 11.12.2025).
  41. Mori Y., Yokokawa T., Kobayashi T. et al. Phase stability of nickel-base single-crystal superalloys containing iridium substituting for ruthenium // Materials Transactions. 2016. Vol. 57. P. 1845–1848. DOI: 10.2320/matertrans.MAW201606.
  42. Utada S., Yokokawa T., Kobayashi T. et al. Challenging the limit of strengthening by γ/γ′ lattice misfit on the high temperature creep properties of Ni-base single crystal superalloy // Metallurgical and Material Transaction A. 2026. Vol. 57. P. 1794–1812. DOI: 10.1007/s11661-025-08089-5.
  43. Karunaratne M.S.A., Reed R.C. Interdiffusion of the platinum group metals in nickel at elevated temperatures // Acta Materialia. 2003. Vol. 51. Is. 10. P. 2905–2919. DOI: 10.1016/S1359-6454(03)00105-8.
  44. Эстулин Г.В., Свистунова Т.В. Влияние рения и иридия на свойства жаропрочных никелевых сплавов // Исследование стали и сплавов. М.: Наука, 1964. С. 194–198.
  45. Yokokawa T., Harada H., Mori Y. et al. Design of next generation Ni-base single-crystal superalloy containing Ir: towards 1150 °C temperature capability // Superalloys 2016. Pennsylvania: Minerals, Metals & Materials Society, 2016. P. 123–130.