автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование структур и изменение свойств ГЦК-металлов под влиянием нестационарных температурных и ультразвуковых полей

, -п «п(Г7

, НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 669.15.28.73:539.376

БАЗЕЛЮК ГЕННАДИЙ ЯКОВЛЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР И ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ГЦК-МЕТАЛЛОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ -

Специальность 05.16.01 - металловедение и термическая

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации |,а соискание ученой степени доктора технических наук

Киев - 1997

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Институте металлофизики HAH Украины

Официальные опононты: член-корреспондент HAH Украины

доктор физико-математических наук, профессор Фирстов O.A. доктор технических наук профессор Ошквдеров О.П. доктор физико-математических наук, профессор Казанцев В.Ф.

Ведущая организация: Институт проблем прочности HAH Украины

Защита состоится " ^з " " " 1997 г. в часов

на заседании Специализированного Ученого Совета при Институте металлофизики HAH Укривны по адресу: 252680, ГСП, Киев 142, бульвар Академика Вернадского, 36, конферэнц-зал Института металлофизики HAH Украины.

м

О диссертацией можно познакомиться в научной библиотеке Института металлофизики HAH Украины.

Отзывы на автореферат в двух вкэемплярах, заверенных печатью организации, просим посылать по адресу:

252680, ГСП, Киев 142, бульвар Академика Вернадского, 36, Институт металлофизики Ш1Г Украины.

Автореферат разослан " ¿3> " " О" 1997 г.

'УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Специализированного совета Д.01.75.02

кандидат фаз.-мат. наук МАДАТОВА Э.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Детали многих современных машин работают а сложных условиях одновременного воздействия внутренних напряжений, быстрых теплосмэн и высокочастотной вибрации. Перед металлофизикой постоянно стоят задачи повышения механических характеристик и продления срока службы используемых в этих конструкциях металлов. Традиционными методами улучшения прочностных характеристик металлов являются различные термомеханические и механико-термические обработки, которые приводят к существенному изменению макроскопических размеров и форщ деталей. Поэтому эта методы на могут, применяться для обработки готовых* изделий. Поиски других методов повышения прочностных характеристик привели к испсльзованию для этих целей интенсивного ультразвука и термоциклирования.

Ультразвуковое облучение и термоциклирование создают широкий спектр структурных состояний, вызываниях как отрицательное, так и • положительное изменение механических характеристик металлов и сплавов.Известно, например, что и циклическое тепловое и ультразвуковое нагружения могут вызвать у'сталостше явления в металлах. Однако, применяемые в оптимальных режимах, эти знакопеременные нагрукения могут оказать упрочняющее воздействие с одновремешгай релаксацией внутренних напряжений, что в комплексе создает предпосылки для формирования равновесных структурных состояний, повышающих жаропрочность металлов. Характер формирования структур сплавов существенно осложняется, если при знакопеременном нагрукении параллельно с процессом накопления дефектов кристаллического строения и различными диссипативными процессами имеет место изменение фазового состояния материала (например, распад твердого раствора и др.). Возникающие тз процессе обработки избыточная концентрация вакансий и повышенная платность дислокаций влияют на кинетику изменения фазового .состояния, следствием чего может стать существенное изменение механических свойств сплавов. Имеющиеся в литературе данные, зачастую противоречивые, не позволяют составить целостное представление о деформационных процессах в металлах, протекавдих при термоциклировашш и ультразвуковом облучении, что можно объяснить как сложностью процессов, так и отсутствием необходимых моделей к механизмов, учи-тненщих спецЕфжу знакопеременного кагрукэния и обусловленных им явлений. Изучение общих закономерностей и специфических особенностей протекания шжро пластической деформации и формирования структурных

постоянна при термоциклировании и ультразвуковом облучении очень важны, поскольку они позволяют выработать алгоритмы управления процессами структурообразования с целью достижения максимальной работоспособности ответственных узлов и деталей машин.

Изложенное определяет актуальность работы, в основу которой положены результаты исследования, выполненных автором в 1965-93 гг. в соответствии с планами научных исследований, хоздоговорных работ и конкурсного проекта "Новые литые жаропрочные сплавы на никелевой основа с поЕШяинним сопротивлением ползучести и повышенной усталостной прочностью для лопаток авиационных ГГД" по программе "Новые металлические материалы для авиационной и космической техники" ГКНТП Украины.

Цель работы состояла в исследовании кинетики и механизмов формирования структурных состояний и высокотемпературного упрочнения ГЦК-металлсв и сплавов вследствие ультразвукового облучения и термо-циклическсй обработки в различных режимах.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать кинетику накопления дислокаций и особенности субструктур монокристаллов ГЦК-мвталлав, формирующихся при термоцикли-ровании и ультразвуковом облучении;

- изучить характер деформационных процессов и механизмы генерации дефектов кристаллического строения при ультразвуковом облуче-ниа стар&щих сплавов на основе ГЦК-металлов с различным состоянием мэи^азных границ;

- исследовать влияние термоциклической обработки и ультразвукового облучения на дислокационную структуру, внутреннее трение и плотность жаропрочного литого никелевого сплава.

- исследовать влияние предварительной термоциклической обработки и предварительного ультразвукового облучения на сопротивление высокотемпературной ползучести ГЦК-металлов и диспврсионно-твврдвю-цих сплавов на их основе и выявить взаимосвязь характеристик жаропрочности с характером структурных состояний формирувяихся при указанных предварительных обработках.

Научная ноьизна работы состоит в обнаружении ряда неизвестных ранее эдиктов, явлений, структур, выявлении новых закономерностей и корреляций; предложены ноше модели и механизмы физических процессов в кристаллах. В работе впервые:

- установлен« сходство кинетик возрастания плотности дислокаций

в монокристаллах ТВД-металлов в зависимости от времени ультразвукового облучения при" амплитудах дбфзржцрт, гтрепшк.чщкх некоторую кр; -тичэскую, и от числа термических циклов, осуцчствляймах в гясгком ■ режиме (например, в режиме многократной закалки);

- показано,что при ультразвуковом облучении в режлз бегучи, продольных волн с амплитудами деформации, провышащих некоторую по • роговую, процесса скольжения и размножения дислокаций в монокристаллах алвккния происходят преимущественно а плоскостях скольким.!, параллельных направлению распространения ультразвука в кристалле. При совместном действии ультразвукового ойвуч&ния ш стгачески* напряжений, величина которых ыоавт- быть существенно нике предела '¿«куче ста монокристалла, выбор системы плоскостей скольжения определяется статической нагрузкой и не зависит от направления распространения ультразвука, роль которого в последнем случае сводится к активации процессов скольжения и размножения дислокации в уже определившихся плоскостях скольжения;

- установлена,что предварительное ультразвуковое облучение в оптимальном рехаке (как а оптимальная степень предвЕритэльной пластической деформации) и посладущий полкгонкзациотшй отнкг РДК-кч ■ таллов в температурном интервале реализации. дислокационной ползучести создают в этом интервала в зависимости от времени ультразвукового облучения (от стяяонл предварительной пластической д

ции) одну область субструктурного упрочнения для металлов с клакой энергией дефектов упаковки (каирюлэр, медь) и две области суб.:трук-турного упрочнения для металлов с высокой энергией дефектов ун-жоили (например, алюминий);

- установлено для твердых растворов Al-1,9 вес.% Mg и Al-3,2 вое.* Hg, что обо области субструктурного упрочнения смещмш в сто • року малых степеней предварительной двфоршдаи по сравньшш о ойлш.;-тями упрочнения, обнарукенныш в чистом алкшши. При этом смещение тем больше, чем выше содержание Ug а А1 (в пределах растворимости);

- исследовано действие ультразвукового облучения на состояние когерентных мейфаанш. границ; на солгав 0u--3,G вес.* Т1 п'жа-зини, что ультразвуковое облучение с ыагжудслЗ деформации 1Q~J при ie«ai3 ратурвх, близких к комнатным, где диффузионные процесси заторчэ»>чи, впаивает срыв когерентности (на рентгеногр.т1.ма:: исчезают сателлиты а появляется дифракционная линия от промежуточной тэтрагокзльпой а*-фазы), который происходит по механизму микроеднига и ааиЗолае напряженных участках кристаллической рохетки, kskoekmi: являеттск гогэ-

рентные межфазкыэ граница, если уровень когерентных напряжений достаточно высок; самопроизвольная потеря когерентности в этом сплава происходит при гораздо более высоких температурах, в интервала 743773 К, где диффузионные процессы способствую: выделению промежуточной тетрагональной а'-фазы; ультразвуковое облучение в этом температурном интервале ускоряет релаксацию когерентных напряжений путем сильной фрагментации матричной фазы.

- показано, что срыв когерентности кристаллических решеток матричной и избыточной фаз при ультразвуковом облучении сплава 0и-3,5вес.8 Т1 (параметр структурного несоответствия кристаллических решеток матричной и избыточной фаз в этом сплаве значителен и составляет б)а=1,5%) как при комнатных температурах, где диффузионные процессы заторможены, так и в температурном интервале 743-773К, где диффузионные процессы содействуют релаксации когерентных напряжений, сопровождается существенным приростом плотности дислокаций и 205Ь~ным возрастанием твердости сплава. Релаксация когерентных напряжений в процессе ультразвукового облучения стареющего сплава А1-2,8вес.Ж И при различных температурах не приводит к заметному упрочнению сплава, что, обусловлено низким уровнем когерентных напряжений вследствие малой величиной парамэтра структурного несоответствия в этом сплаЕэ, йт=0,08%;

- показано, что ультразвуковое облучение с амплитудой напряжения ~80 Шз в процессе старения сплава А1-2,8вес.$ Ы в температурном интервала 523-553К приводит к замедлению процесса коагуляции когерентных упорядоченных выделений С'-фззы (АЦЫ). При одинаковых временных выдержках в указанном температурном интервале в состаренных под действием ультразвука образцах размер выделений оказывается в 1,4-2,3 раза меньше по сравнению о состоянием, полученным старением без,воздействия. Последнее, по-видешому, обусловлено ускоренной ультразвуком релаксацией когерентных напряжений, являющихся движущей силой процессов роста и коагуляции когерентных наделений избыточной фазы. Уменьшение склонности выделений к процессу коагуляции при повышенных температурах является свидетельством стабилизации структурного состояния сплава и стабилизирующего характера ультразвукового воздействия на стареющие сплавы;

- при исследовании температурной зависимости внутреннего трения закаленного сплава Си-3,5вес.36 П, предварительно облученного ультразвуком (амплитуда напряжения 3=150 Ша) обнаружен большой максимум в температурном интервале 423-623 К. Исследование возврата вцут-

- ь -

рэнкаго тренял в этом температурной штеэрзяла позважлс тачпслить величину его энергии пктивчгога. оквяатоуася равная 0,?э3ууг~о" блгз-'

к, известной из литературу, в-«!кчкав к-иергив с-шкй1 здкэиеии «риоталшчбской рвиотао твердого расгиора на освиве Ои с лнгирутаем атомом Г1. Предполагается, что атошо-взкрчотэннаа хскалькси, верп-зоваеаиесн при ультразвуковом облучэнаа, способпн аореорж-гл-кроьй-ться пол деЯсткяом яэрэкенных напряжения в щлпьчси кянндгпич эиут • рылюго трьния, вызывая его возрастание.

- установлено, что оптимальное число термических циклов, осу-тествляймчт в »»яттом р^оти^, утч^т-г^п"^ м-

1-НХ »ИКИЛ«"Ы.Т СЛЛЯЯЯЗ, ПО ЯЭ етзкзахцгх ЯХ дс^срмздошгйб ¿'»ЦЛЧпс—

низ, приводит к су ецэ отвесному (на ~5'С®) увеличению их долговечности при высокотемпературной ползучести и 10-кратному уЕвличенип долговечности при усталостном вягрутании.

Научные пояоазния. шнсс-шые па засату:

1. Предварительное ультразвуковое облучение з оптимальном решала (как и оптимальная степень предварительной пластической дек по^ледупзий полсгокжацаотйч'й ст-гтг ГЦК^'от&^лсь и тзи : .ратурнсм янтйрнэлэ реагагадк доплохедвглшсЗ ползучи глг. задуьт ■ • эт:/м («пернзля г. ззписпмссте от длитео н'лг. (от стегвн» предьарптелг-^ой гиаспггеской д-^ор^уда) одну ее-л а с п. суоструктурпсго ^¿фочичнкя .-V..-! 'кт^длег: с л^ксЛ ои^ргг^--;? Фект-о упаковки (н.'шркмер, медь) я дзз облаете суострукт;раого ущо-чкевкя дка уе-гаялов с высокой янерпюЯ А^фоктог упаковки напр5>^р, алюминий.

2. Срыв когерентности кглстаяляческих решеток матричной и избыточной Фаз при ультрязвуовоч обяучеаге "тсротг^тл силявой ггодоь двйтсй ттм бяттк приростгм плотности дпздекыдей г* упрочнении ь-п.,-^ -

чей гаво уровень кошреатшх напряжений до ультразвукового

ОбЛуЧОИИЯ.

3. Ультразвуковое облучение в оптимальных рэ валах стареющих гпганпз пз основ»; ГцК-&;9тал/:пБ р^аакойци1 -¿нутр^них нг.:.< ря-ятий, зсладстьпа чего происходи сгебздозгция диолекпцгпкш я структуры, уменьшается склонность вндэяея!»* язймтсгкЯ: фзги ксагу-ляции при повшюгашх температурах, что а комплекс» пр'шодкт к с^лг/л ■ нгл стабильных структурных состояний, повшаагдах ресурс жаропрочное-тп этих сплавов.

4. Оптимальное число термических циклов, осуществляемых в ипг~

ком режима, увеличивающих плотность наропрочных литых никелевых сплавов, но но вызывающих их деформационное упрочнение, приводит к существенному увеличению долговечности при высокотемпературной ползучести (на ~50%) и 10-кратному увеличению долговечности при усталостном нагружении этих сплавов.

Нзгчпдз; и практическая данность реботы.

Решена актуальная научная проблема, заключающаяся в научном обоснозвзшя применения термощгклической обработки и ультразвукового облучения для повышения ресурса жаропрочности ГЦК-металлов и даспер-сионно-твврдапцих сплавов на их основе, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких температур.

Предложена новая схема ультразвукового облучения металлов, в соответствии с которой разработана и изготовлена оригинальная установка для ультразвукового облучения металлов, позволяющая контролировать в процессе ультразвукового облучения уровень интенсивности ультразвуковых колебаний и качество акустического контакта между облучаемым образцом и ультразвуковыми волнозодзыи. Качество и надежность акустического контакта обеспечивается специально разработанными электромагнитными устройствами, работающими на постоянном токэ. Методика предусматривает нагрев облучаемого образца , с волноводами как печью сопротивления так и пропусканием электрического тока большой силы.■

Разработаны репам термопластической обработки, включающей предварительную пласткчэскуя деформация^- (или предварительное ультразвуковое облучение^ ) ^пос ла ду к^й"ш.шгонкзациошшй откиг для повы-сания сопротивления Ползучести кеда и алягиния. Разработаны реижы термоудьтразвуковой'обработки, промышленного алхииниовиго сплава АКЧ-1, примешпсщэгоой' для .изготовления поргаий в дизельных дксгато-'лях, с целью повышения йго жаропрочности. Показано, что ультразву-ковоа облучение при комнатных температурах закаленного на твердый раствор сплава АКЧ-1 и последуйте искусственное старение при температуре 460 К приводят к увеличению его долговечности при высоко- ■ температурной ползучести в 2 раза. Существенный прирост долговечности имеет место после ультразвукового облучения при температуре искусственного старения 460 К"в оптимальном рекимэ закалеянного па ТЕврдый раствор сплава АКЧ-1.

В данной диссертационной работе показано, что термощгклическая обработка в местком режиме эффективно влияет на дислокационную

О _

Л —

пгрук'гуру монокристаллов пжяш:« и прокшгленяох'о алнипн^-пого ••"7: ;ьч АГЧ-!, н врявзякг к залечт-мкил '

к;-/!:- 1Нй»Т.ИМ»[|, ЛИТЕЙНЫХ КН.фОПОр} И ГЗ]Ч>?.ТО'йИХ ЛИП,».

никклйвнх гетлявчт, Нч кчропрочном литом нияелеяоч сготяя*» Н?Л-'2У,

к.-^ннм^мся для кзготовлйния лопаток газотурбин»-':: дзагггтелбй ТТЛ н-'1шзш1С/, что оптимальное число термоциклов, увеличивам^* плотность г-I -I .'нмй,1, но вгкличаюцое его дафохлмцзокчое упрочните»?. тфйы к '„•¿•(•».•еть'^ш-му у«у;-личешш бксял/атащюнай'. характеристик, "»г, долговечность при высокотемпературной ползучести (жаропрочность)

терми^сраооток, предусмотренного ныне существующей технологией изготовления лопаток ГТД.

Стендовые испытания лопаток ГТД на усталостную прочность показали, что при одинаковой величине переменных напрязенпй, равной 230 МПа, усталостная долговечность термоциклировгнных лопаток в 10 и более раз превыазет таковую после стандартной термообработки.

Таким образом, в данной диссертации показано, что ультразвуко-т!".п ^ терадзцйКлгчеекЕЯ оОра'отКй «¡¿ляУ!-;!;*. ¡мргглк'г;лг.;г;'.%;

»•.-.•тодагл юеш^ней комплекса механических свойств яет-чллив и ышавии.

Степень дсьгсвернсста поду чошю?. информации о^и'.йчквчлтгн ком ¡Щ|-кскостью ироь«д-»нго»л &ксиерк.,-:онтальаил исследовали?., тго

л ¿и? согясяить изканекне 4азикс-механ№1вски& свойств ^.-отгз^т..¡>у»; структуршшс »изменениями.

Личный вклад иатора. Б диссертации обобщены результаты лс-ле;:-ноянЛ, вииалзйгнаых аеяоервдетвашю автором ила под его рулоьодсхвим с участием ряда сотрудников. В последнем случае автором ипоизвага-

¡г.-!,-г::н';Бкй рзс>тч, фэрмулирел-.зялсь вели, задача а де.п••: .•..

Непосредственно автором разработана методика ультразвукового облучения металлов, выполнены экспериментальные исследования с при • иаНаи«си ••етг'юв «гпйппгс кристз сгт":гтт;~"^тг.", ргтттгаттг.т"--;

гг. Ковгу--Барр"ту, г.-ял^гдойи; :y:n:J•; »отомгюратурнуа иоязу часть, твердости и юшротвердости, предложены

"тс-гти, дана трактовка впервые с/Сп.чругешьи. ¡с^ии-лмх наблюдаицихся в предварительно деформированных, а такжэ в предвари тельно облученных ультразвуком элшиаии и твердых растворах адк.гл~ ний-магний. Среди прочих автору пркнадлогат такжэ трактовка вп а рва о

- з -

обнаруженного щи выполнении диссертационной работы эффекта уплотнения литых жаропрочных никелевых сплавов при мягком термоциклиро-влкаи.

Разделы 5.1 и 5.2 ггполнены совместно с.к.ф.м.н. Березиной А.Л. 5.3, 5.4 и Т.З - совместно с к.ф.м.н. Кажевской О.Н., 5.5 - совместно с к.ф.м.н. Трофимовой Л.Н.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и Осуждались на: Всесоюзной акустической конференции, Москва, 1968 г.; ХХШ Научной сессии по проблеме жаропрочности сплавов, Москва, 1969 г., 6 Всесоюзной конференции по прочности и пластичности, Куйбышев, 1977 г., 2 семинаре "Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагрукения, Киев, 1978 г., IV Всесоюзной научно-технической конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов, Москва, 1979i'., Всесоюзной научно-технической конференции по ультразвуковым методом интенсификации технологических процессов, Москва, 1979 г., Всесоюзной научно-технической конференции "Прочность и пластичность материалов в ультразвуковом поле", Алма-Ата, 1980 г., Международном симпозиуме по проблеме "Прочность материалов и элементов конструкций при зпукоЕых к ультразвуковых частотах нагрузи нил", Киев, 1994 г., школе-семинаре "Применение ультразвуковых колебаний в технологии", Киев, 1982 г., Всесоюзном семинаре "Рентгенодифракционные исследования объемных искажений в кристаллах", Одесса, 1986 г., IV Всесоюзной научно-технической конференции "Ноеыв конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий". Запорожье, 1939 г., Всесоюзном семинаре "Влияние термо-циклпческой обработки на структурное состояние и механические свойств?. металлов и сплавов", Киев, 1987 г. Всесоюзном семинаре "Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах с динамическими и cTii гичэсккми искажениями", Мегри Арм.СОР, 1988.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 32 работах, две из которых являится авторскими свидетельствами, а две -•гозпсммп докладов конференций. Все результаты опубликованы в Бедующих научных журналах Украины, быЕсего СССР, а также в сборниках к трудах конференций.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 гл;ш, заключения, основных результатов и выводов, перечил использованной литературы и прилунения. Работа изложена ка._'.сгрлницпх машинописного текста, ^од'Зрямт в ceöeij? рисунков и./ таблиц. Перечень

литературц состоит кг. 369 наименований отечественных к зарубежных авторов.

ССКСНЮЕ С0Д212ЛШЕ ГАБО'Ш

Во введении к диссертации обоснована актуальность вц£ра:сю10 направления исследований, ефор?8улрровзтш ц?лъ и а дачи, ¡угуагечт нг,-учнзи новизна, щ.;жэдбв!' основные положения, зыяос№:ые аз защиту, нау-шал и практическая значимость полученных результатов.

_В первой глава дян краткий об^ор хаи^чаского

цшийроьцщш и нолйййчнского цикяироепгст!: с 7л17рс2е.укиьой часлитой.

на структуру и свойства кристаллических нате риалов. Кагдая кз этих обработок довольно специфика, однако харзктэр изменения свойств металлов после обеих обработок во многом схож. Показано, что ультразвуковое облучение и тормоциклическая обработка могут вызвать упрочнение отожженных и рззупрочвение предварительно пластически деформированных металлов, активируют диффузионные процессн а сплавах, шзн-вавт релаксацию внутренних яапрятанпй, а при юстаточно чнтенсйнмнх режимах оба обработал прицедят г. усталостному рйзрушшеэ материал;.. За последние года суп&ств-яшо продашулось понимание 4язических г^ю цессов, сдоззлии;: - раосэтглом з^архчи в^иокоамялитудт.^. удь/разлу-кових колебаний в кристаллах. В работах У.М.Йачока, Ь.А.Тяг^пшпй, В.Ф.Казанцева, й.Я.Пзнпоа, И.О.Скэдьяиш&о, А..г.Скрипка, Б.Ланг».;?.вн-керп, Н.А.Гинджа, ¡Ыя.ИбКлидоиз, В.'х'.Трощонно, Ь.П.Сег<врд»нкс>,

b.В.Клубович и др. ;:сслодовено внутренней трекич, ооусу&вшкно» дни--гиняем и размнодонкем дислокаций, выявлены некоторые озоСзпвогтя формирущейся при атом дислокационной структуры, а также изучено ч таяние «ятенстгэтлх ультркзвгкових ¡юлэбана» ж ¡«то щ-Цйеои в мвтдзех. К врстоядому Ерошим црдс. чч,: размножение дислокаций в кристаллах под действием интенсивных ультразвуковых колебаний происходит по механизму Франка-Рида во всем многообразия его реализации 2 деформационном процессе (двойное попе р-о5 ¡но а гкслыэтниз, оСра';сл,(:::п35 глс^.ч;:;^: ¡1 по и

c.я лз. основу при кадэл»<;л>ьззйй («"имлизр./Ц^з.."!- »{.•••л,тсги>.:л>» ^¿¿.¿¿¿а ции крастаязюч в у«,трпсвупсг.с?д пог>> {Н. А.Тянул«*, п.

екай). Однако угссп^ршиигтаяьно пемадзьвко разлкчич дас

локационных структур, формирующихся в условиях стоячей и бегущей ультразвуковых волн. Исследовании«* А.В.Кулемииа показано, что диффузионные процессы ускоряются ультразвуком, если амплитуда перекан-

- и -

пых напряжений првнш?ает некоторое пороговое значение.

В обзоре дана классификация термических напряжений, возникающих при термоциклироваяии металлов и сплзеое. Показано, что термоцикли-ческая обработке в оптимальном режиме может вызвать увеличение плот-кости дислокации в металлах и их упрочнение, которое некоторые авторы называет термическим наклепом (Ы.Ы.Штейнберг, Г.А.Трифонов). Л.Б.Тихоновым теоретически показано, что одиночные дислокации и ыа-лке дислокационные петли в процессе термоциклирования имеют тенденцию перемещаться независимо от знака вектора Бюргерса преимущественно к свободной поверхности, что связано со значительным елияниэм сил изображения з приповерхностных слоях материала. Это объясняет резу-зультзты тех экспериментальных работ, в которых показано, что термо-циклиров'аше предварительно пластически деформированных металлов вызывает их разупрочнение. Л.В.Тихонов с сотрудниками экспериментально наблюдали размножение дислокаций в приповерхностных слоях монокристалла Се по механизму поперечного скольжения. Известно, что циклическая тепловая нагрузка, возникающая при остановках и запусках реактивных днигателей, а также при переходах с одного режима на друтой, резко, снижает время работы лопаток газо-турбинных двигателей (ГТД). В связи с этам, исследований влияния термоцикляческой обработки на структуру а свойства жаропрочных сплавов, применяющихся для изготовления лопаток, является особенно актуальным. В работах отечественных и я ару бе жы к исследователей отмечается, что термическая усталость является основной причиной образования трещин на сопловых и рабочих лопатках ГТД. Однако, влияние мягкой термоцкклической обработки на структуру г свойства каропрочных никалзшх сплавов исследовано недостаточно. Работы Р-.С.Биронта по исследованию влияния ультразвукового облучения и термоциклической обработки на структуру 2 свойства про-мышюняьп: сталей п сплавов способствовали совершенствованию технологии их ущочняндих обработок.

Во второй глава праввдены методические разработки, осуществленные автором, связанные как с особенностями ультразвукового облучения металлов и сплавов в твердом состоянии, так и рентгеноструктурннми исследованиям (например, макронэпряжений) в поверхностных слоях полуфабрикатов, деталей п элементов силовых конструкций. Автором разработана установка для ультразвукового облучения металлов, в которой, в отличие от традиционно использующейся методики [I1 применяется не один, а два магкитострикционпых преобразователя, расположенных навстречу друг дру1'у и подсоединенных к одному источнику

электромагнитных колебаний (ультразвуковой генератор УЗГ--ММ). При одновременной работе обоих магнитострииторов в металлический образец расположенный мэяду шита, посредством специально рассчитанных водно-аодов попадают две, распространяющиеся навстречу друг другу оэгусиь волны, которые, суммируясь, образуют стоячутп волну. Продлскеннаи схема ультразвукового облучения позволяет собственно увеличить косность ультразвука, воздэйствупдего на структуру обрабатываемого игз-тэриала. В случае работы только одного из преобразоватяэй, пторой может быть использован как приемник ультразвука прошедшего через образец. При этом в обмотке встречного (приемного) преобразователя зч счет эффекта обратной мвгштосарикции возникает акиктродвичущея саля по величине которой можно судить как о постоянстве интенсивности ультразвука в процессе облучения, так и о качестве акустического контакта меяду образцом и волноводами. Акустический контакт обеспечивается путем прижима головок образца к торцам ультразвуковых волноводов с помочью специально разработанных, елвктромагнитвнх ■ устройств, а сила прижима регулируется величиной постоянного тока, питавшего электромагниты.

Для проведения ретттгэкоструктуркых исследований например »з;.-е рения макронапряхоний в поверхностных слоях отдельных де-хзлеЯ (няпр. лопаток ГТД), подвергшихся разйтиа механическим, или торшческаы обработаем (налр'. терюциклирования) авторе?« билч скоиструяров!ша рентгеновкая камера, которая была изготовлена на Киевском механическом завода, где и (Зила внэдропз (акт шздранил ы рчздэлэ "Притоке-кио" диссертации). На КЫЗ камера использовалась с рэнтгешеской трубкой от аппарата УРС-0,02 для исслодоьаяия г.'акронанряяиний в некоторых отдалышх деталях, а тыию в элементах конструкции крыла (центропланов) при проведении отатическгх исгагтгяв^ союлэтос. следование до&стакя ультразвукового облучения к торгл^цикличи«;».» обработки на даслокационную структуру ГЦК-металлов проводилось на монокристаллах влшиния. и меди. Выращивание монокристаллов влтишп чистоте (99,999 весЛА!) осуществлялось методом Брздамена на оригинальной устаножда, Лзтзрзя позволяла также вирэщзвать ^иоктиитчл*! под довствпвм ультразвука, так:« производить ультразвуковое ш'.пу чвпив выраженных монокристаллов при почнипнчнх темяэрвтурвх я усит киях зпкуука. Выращивание мононристаллоп меди (чистота 99,9 иис. 1 Оа) опуи*. •-•ллаоь методом ".охрадьского.

Исследование дислокационной структуры монокристаллов А1 и Си до и после ультразвукового облучения и термощяимческой обработки проводили с использованием комплекса рентгенографических, а также металлографического (по ямкам травления) методов. Одним из основных инструментов рентгеновских исследований служил двухкркстальный спзктрзмэтр на базе гониометра ГУР-4. На его осново приминяли диф-рпктс!ютрипеские методы исследования: запись кривых качания, измерение распределения разориентировок в различных направлениях. Ос-иовшлм методами изучения субзеренной (блочной) структуры била рентгеновская топография по Боргу-Барроту и метод ямок травления.

В третьей главе представлены результаты исследования влияния ультразвукового облучения и термоциклической обработки ни дислокационную структуру монокристаллов алшиния и меда.

Пурво^ соооценпе о формировании особой субстр'уктуры в монокристаллах ГЦК-металлах (алиминий) под действием ультразвука было сделано автором настоящей диссертации в 1965 г. ни Всесоюзном советник по росту металлических монокристаллов г.Киев [21. Бы по показано, что в монокристаллах, ьыращенных гюд дуйствием ультразвука, наблюдается увеличение количества субграниц, дислокационных скоплений и существенное увеличение разориентировки субзерен по сравнению с монокристаллами, выращенными без воздействия. При этом максимальный эффект наблюдался в той части монокристаллов, которая являлась одновременно затравкой выращиваемого монокристалла и волноводом, посредством которого ультразвуковые колебания подводились к фронту кристаллизации, из чего следовало, что наблюдаемый эффект возникает при действии ультразвука на кристаллическую фазу. При этом .дислокационные скопления формируются преимущественно в плоскостях скольжения, параллельных направлению распространения ульт-рвзвука в кристалле, й дальнейшем было показано, что подобным же образом ориентированы дислокационные скопления, имендке диффузный характер, в монокристаллах алюминия после ультразвукового облучения с амплитудой деформации ~2• 10'"* вблизи комнзтной тешературы. Этот Ф-акт, по-видимому, обусловлен тем, что, в связи с большим затуханием ультразвука в алюминии (и при комнатных и, тем более, при повышенных температурах удьтргзвуковое облучение происходит з решай бегут© л. волн, когда, имеет место увлечение дислокаций ультразвуковой "еолной. Об этом же свидетельствует к то, что субгрвницы монокристалла, которые до облучения бшл ориентированы перпендикулярно направлению распространения ультразвука, в процессе облучения выпучивались в этом направлении. Субграницы монокристалла,

располагавшиеся параллельно н&правдениз) распросхранеш:я ультразвука, имели тенденцию расщепляться, на дае или три пубг.даштн. Ннблщяекые трчисформашт субгрвниц моуяо оЯьяошпгь активизацией процессов кх Д1ф1,узионного переползания в учивши ¿дашсионыи'О пересыщения тфисталличэской решетки под влиятжьм ультразвуковых г.олн при псенечншх температурах. Методом двойного утжсталлспахграквгхю параллельно с облученными ультразвуком кгятаерпягглгскг глы и аж:жнкя (рис Л) исследовались ivr'seac;-!,

термоцкклировагжый в аостком рекиме 8U3==2S3 К. Было показано сходство кинетик возрастания плотности лисло^чтп*» г:

?чгпспг.:осгл о: . ¿рймони »льтинмну^ного (гсх^ггуда

деформации 1СГ4- 8-Ю"4) и от числа термических циклов. При этом для монокристаллов меди характерной является зависимость плотности дислокаций от времени ультразвукового облучения, которая при достаточном длите льном воздействии выходит на стадию насыщения. При этом плотность дислокаций на стадии насыщения там выше, чем выие амплитуда деформации при облучении. Для монокристаллов алюминия по достижению максимума плотности дислокаций при дальнейшей увеличении чиплз т^рмоаик.'Юй или нрадокк ультрй2яу:с'..аого ейху-вдкпя н^^'^ин^тг^ i«jKuTopoe ее укальивккв, овяза:гьсе с прящити lamM-.natv ;it о ''0,?.Ерат1! п птоц.чсго ул^тразвук^я/го 2j.,;v,''shh.- ;:лл :„1;;..* оЯрЮЧЛКй, что OOycSOlMWJ ОиЛвк вы'.'око?. СССЗС^ЮСТЫ' iiac*'jK«Vî» ' A J ьоиндклыь высско'Л энергии ,;:eî»?K?oj уг'жот?::!:. ¡ьчот;' vn диолочвций в монокристеллах Л1. я Са поел-; этих обсвСоюк кс?ра.п»„-; больч чем на порядок по сравдвигло с luncajnoce состоякк&м '.поел» ьыра-шгния). Рентгехютоногр^Еггчвскям методе* Вэргс-Зарротг: » «гьт'и.ал ямок травления показано, что с увеличением температуры и времени ультрчянуконогг; кат: ~-т о у^л,.^-.^;.-^;.; чнз.гч

уг^жьмтег; к оораасияке»; ;:ко:.оч:пк")нш»х с",

а Фрагментации монокристаллов. При совместном действии ультразвукового облучения и статических напряжений,величина которых макет быть ранив или существенно ниже предела текучезти монокристаллов, выбоо плоскостей екол&жеякп впредадрятся rw.me.i',.! •>arpyzxoZ, s [ .ль v.-,: т^чяяуяе сводится к активвцж процесс:«:? л.гт^ния и рйго>чо&>ш!И ¿птмДО в опрвдедкваяхеп п.тзеютптпт. скешПроктите- .wr^n-wtr. изменения затухания ультразвука на частоте 10 «гц в кристал^грвфич»

а)

)

о ю го чп ни

к х V И во 70

чги мин

ском направлении [1001 в процессе ультразвукового облучения монокристаллов меди и алюминия на частоте 20 кгц. Показано, что рост коэффициента затухания при включении интенсивного ультразвука и дальнейшей экспозиции облучаемого монокристалла меди происходит в две стадии, характеризующиеся резким и медленным с насыщением изменением коэффициента затухания (рис.2). При этом резкое увеличение затухания связано, по-видимому, с отрывом дислокаций от примесных центров закрепления и увеличением длины осциллирующих дислокационных сегментов, а медленное увеличение затухания обусловлено ростом плотности дислокаций в процессе ультразвукового облучения кристалла. Подобное исследование на монокристаллах алюминия повышенной чистота (А15 99,999) показало отсутствие первой стадии возрастания коэффициента затуханий при включении воздействующего ультразвука, что, вероятно, связахго с уменьшением количества закрепляющих центров на дислокациях.

О 10 ¿0304030 бо я> 8090 юо Яги. мин.

Рис.I. Кривые деойяого отражения монокристаллов А1:

а) состояние после вырапде-

вшп1я

б) после облучения ультразвуком при комнатной температуре

(5-2'1СГ4, т-30 мин)

в) после УЗО при 873 К <е*2*10"4, т=30 мин)

При исследовании температурной зависимости декремента затухания нз частотах 5 Ыгц и 10 Мгц монокристаллов алюминия и меди, подвергнутых предварительному ультразвуковому облучению,обнаружены максимумы, которые смещаются но температурной оси с изменением частоты измерения. Для облученных ультразвуком монокристаллов алюминия максимум наблюдается при 250 К на частоте 5 Ыгц и при температуре 260 К на частоте 10 Ыгц. Для облученных ультразвуком монокристаллов меди максимум ппблюдается при 270 К на 5 Мгц и при 290 К на 10 Мгц. Обнаруженные максимумы подо-йкы тем, которые наблвдал Еордояи в деформированных монокристаллах ГЦК-металлов. Согласно сложившимся представлениям, этот эффект обу-

обусловлен термически активируемому преодолению дислокациями барьеров

Пайерлса перегибов на дислокациях. Получено количественное совпадете

1 К,

I /

?;*брпш актигсацгп релихо&т: -окаой процесса,.

ю рздачт' "^и^к^ь

го:- тл ллллл: v

"I ГПрглЛЫТЭ ГЕЕГ'ПГЧСГЯ 3'''

| / I фср.'.:рс;ййН!1х :: ар^даурк-» »-*.г

а,281 | \,7/ но еблучвнхшх ультоазвтаом

! » г

i i /, лл-сжрн'л ллл. м,"- . }

| | " " и ^и^и.'-1 и ..р.;-

I,, таллографкческом направлении

II ■■ • -

-1 -

| ' В четвертой глазе пред-

0/2.0-75—'го 'за '40 '¡о ло Ж~ сташгапи результата после-

(май) дованкя влияния прэдвара-

Гис.2. изменение коэффициента затуха- тельно^ пластической дефораа-ния ультразвука (частота 10 Мгц) в ко-ции и предварительного уль-нокристалле мэдн в процессе его облу- „,„„„,„„„„„„ „Лп,гп=,„,г, „„ чания интенсивным ультразвуком (часто-^Р ^^ облучения на

та 20 кгц) • сопротивление ползучести ГЦК-

« - -о аиекаяея. гк - яскгпт гг-тэтс „-и,.^ ол-лглл:-, «и» интенсивного ультразвука, ;:с - и

: о^лл-лтя ул^тразвуко?,«. ч.лчгсчгхг..'; лл лилл- ^лг-.-

о-Ь - кончит к:-:лкчонля ультразвука. .....

гг;>, - кл^минеяга --Т'- * -'" '' ~ ' ' " •

пол/л цькллелиг "лллкс; V л;лл:л т.'.-.-'--'..

' лль^.^.у.п-л

Пс г*лл- углуолл^л! вллнк:; у; ь ллчллл л-±

субструктуру металлов нглглл.эл г. стичо5ПЛ'":к лл гллл ььлул; вопрос пр'.гакеьип это" обработал для ослд.лил! сгпс^лышх. о>л ■ структур в шликриитаялнчвеюи. ГЦК-мэтадлах с цель» увеличения их сопрптивлпрня 5 "ТС" Г,"?'"? ТЯТ"""—

г;:ллЛ игл'лггллл'лъ лллл;<л,:л лл,;.. -

Зйух.оао^ иОлучбНыо й иолшгопйзациимямй ои-кит. йзкастш раооты Г.Я.Ксзырского с сотрудник ели, в которых показано, что оптимальная степень тфодаарятальной. пдастачаскоП.Де'1о£,аа5дта и посглдукв?!?. г.«л;г-

глш::;ил1л;ы.;й >лллл иллллгл ч?лп зр Л -;ЛЛ. ; лл:Л':ЛЛ л-л . 5 кагал: пр;-. г. ем ¿.лл'лччек:; ус.Лл:^:..''ул.лр л лу .л л л л;

и политональных лиапокшгипянт{х ртяно«;.- , ларьо-пгпло м»««»»

для дв!иуц;тхся при палзучвлгл дислскац'/й. чт^ гг^ки^дат к саароста устаповаБаоСоа ползучести и иоь-ыаюшш .дйлГоьвчносАй при ои-сокотешературной ползучести никеля. Однако, никель зажимает -межуточное положение по вэли'пшэ энергии дефектов упаковки сроди таллов с ГВД-реаеткой. Представляло штерес *>г "л'

вакного параметра нэ характер субструктурного упрочнения ГЦК-металлов, я тикеэ сопоставить эффективность субструктурного упрочнения, «олучзпного путем предварительной пластической деформации и путем предварительного ультразвукового облучения.

С этой целью в качестве объектов исследования были выбраны медь, характеризующаяся низкой энергией дефектов упаковки (э.д.у) и элхмтшй, обладающий наибольшой среди ГЦК-метэллов величиной э.д.у.

Показано, что предварительная пластическая деформация, нэ превышающая 3%, п последувщий полигонизацяошшй отаиг при 773 К (температура испытания па ползучесть) уменьшат склонность меди к процессу рекристаллизации при ползучести, а возникающая при атом субструктура препятствует движущимся при ползучести дислокациям, что повышает сопротивление меди процессу высокотемпературной ползучести. При б том в области максимального субструктурного упроч-чнежш (3% предварительной пластической дефорации) долговечность меди при ползучести по сравнению с исходным отозванным состоянием возрастает е 4 раза, а скорость установившейся ползучести уменьшается в 20 раз (температура испытания 773 К, напряжение 15 Ша).Показано такгйв, что предварительное ультразвуковое облучение в оптимальном ревиме и последующий полигонизационный отакг такке замедляет процесс рекристаллизации и, формируют субструктуру, снпкащуо скорость установившейся ползучести меди. При атом долговечность мода при ползучести возрастает в 3 раза, а скорость установившейся ползучести снижается в 7,5 раза (рис.3). Однако, замедлить процесс рекристаллизации при нагреве деформированной мзда путем предварительной полигснизации удается только для малых степеней предварительной деформации (не преЕшанцих ЗХ), поскольку склонность меди разупроч-няется по механизму рекристаллизации увеличивается с увеличением степени предварительной деформации или при резкиках ультразвукового облучения, превызащих оптимальгае. Напротив, "слабо дэформлрован-шй алн.шкй, тлеет тенденции разупрочняться при нагреве преимуще-

л

30

Е

"го к!

ш

о

| Л7

■ч

\ ? / .

¿Т /

■0

10

и

Рис.3. Изменение долговечности (I) и скотюсти установившейся ползучести (2*) от Бремени предварительного ультразвукового облучения меди.

ствэнно по механизму полигонпзвцил, вследствие чего достаточно полная полигопизация (1 час при 533 К) предварительно дг^рмкро-вшгаого (облученного ультразвуком) з.та«тнии полностью прэдотг-рп-ращаэт образование центров рекристаллизации а процессе испытания на ползучесть, прозадятлого при той 7.8 температуре.

Впервые показано, что в зависимости от отепекк предварительной деформации в алюминии возникает две области г;убс,труктур;-;о:'о упрочив-даиия, разделанных областью разупрочнения (рнс.ла?. Первая область упрочнения обусловлена ячеистой дислокационной структурой, формирующейся в АХ уаэ при малых степенях тфв^арггезгао- гиаггачвскои Форяздяк {"1%) .п последую««!* полигонпзацпсакзй отжив. Однако с

увеличением степени пластической деформации в А1 резко возрастают концентрата! избыточных вакансий, что приводит к пересвданкю вакансиями кристаллической роязтки, о чем свидетельствует болыюв количество призматические .дяслокацасасиг петель. Ь услониях искчн-сиошюго поре сияния крис ■ тзллической рэсатки ячеистая дкслокационнзн структура: становится неустойчивой и расползается, при нагрено! что проявляется в ргззком возрастании скорости устапошшбйся ползучести (область разуп-арочнвния). Вторая об ласть субструнтурнэго уп рочнения алюминия (при степенях предварительной деформации, г^гевкштжих 2%) связана о появлением барьеров Ломэмера-Коттролэ которые З21срс<пл?ют ячеистую дес^окзиионнуь струя-

/ 2 3 Ч А 5 1 в

Стсгтмм ¿е/рарпэции, "/«

г J ч 5 6

рус.1. Зависимость скорости установившейся ползучести вляшния от степени прадезритольной деформации юи и от . времяни предварительного ультразвукового сблучоиил (б).

туру сформировавшуюся при предварительной пластической деформации, не позволяя ей расползаться в условиях вакансионного пересыщения кристаллической решетки при нагреве. При этом скорость установившейся ползучести в первой области субструктурного упрсчнния в 6 раз а во второй области в 15 раз ниже, чем в исходном отожженом состоянии. Нзблюднщаяся для AI зависимоегь субструктурного упрочнения от степени предварительной деформации обнаружена впервые. В связи с этим необходимо заметить, что в процессе предварительной деформации дислокационные барьеры Ломера-Коттрела образуются и в меди. Однако опережвипое разупрочняющее влияние рекристаллизации при нагреве деформированной (иди облученной ультразвуком) меди не позволяет им ¡трояпиться при ползучести.

Установлено, что предварительное ультразвуковое облучение и последующий полигонизациошшй отжиг AI такке приводят к формированию струкиуршх состояний, вызывающих, в зависимости от времени облучения, первую и вторую области субструктурного упрочнения, разделенных пиком разупрочнения (рис.4б). При этом скорость установившейся ползучести в первой области в 3 раза, во второй в 4 раза ниже, чем в исходном состоянии. Однако, в отличие от предварительно пластичес-тически деформированного в облучаемом ультразвуком алюминии накапли-ливаются усталостные повреждения (субмикротрещины), которые при последующем испытании на ползучесть ускоряют процесс ползучести, что приводит к сужению второй области субструктурного упрочнения.

Исследовано влияние предварительной пластической деформации резличной степени и последующего полигонизационного откига на сопротивление ползучести равновесных твердых растворов А1-1,9вос.Ж Mg и А1-3,2вес.Ж Mg. Показано, что зависимость скорости установившейся ползучести от степени предварительной деформации аналогична таковой для чистого алюминия, но смещена е сторону малых степеней грздвари-тельной пластической деформации. При этом смещение тем 6l чем

выше содержание магния в аляяшии (в пределах растворимости). Наблюдаемый аффект смещения объясняется тем, что атомный радиус растворенного элемента (Mg) суцэственно (на \А% ) прэьнщает атомный радиус элемента матрицы. Последнее является причиной образования в процессе предварительной пластической деформации етс.г.мо.-вакянсионных комплексов, которые при нагреве дисоциируют, зазывая вгжаисионпое-пересыщение кристаллической реивтхи и ускорение процесса ползучести.

Пятая глава посвящена исследованию -влияния ультразвукового облучения ив структуру и дисперсионное твердение- бинарных старвкцих сплавов на основэ иодд и алияшяа Си-2,5вес.й И и А1-2,ЁзесЛ. И,

. У, L V

отличапцихся параметром структурного несоответствия кристаллических решеток фазы выделения и матрица. ' ~

ВперЕые проведено исследование действия ультразвука на сое-состояние когерентных меяфазных границ. Для подобного исследования сплав 0и-Я,5вес,Ж Т1 особенно удобен, поскольку относится к тому типу стареющих сплавов, аа рентгенограммах. которых наряду с брвгговскиш рефлексами присутствует дополнительные диффузные максимумы-сателлиты, появление которых обусловлена образованием в процессе распада твердого раствора когерентных выделений.

Няруяение когерентной сопряженности выделений избыточной фавы с матрицей (т.е. появление дислокационной мехфазной границы) приводит к исчезновению сателлитов и появлению дифракционной линии промежуточной тетрагональной а*-фазы, что происходит при повышенных температурах, где термически активируемые диффузионные процессы способствуют выделению этой фазы.

Показано, что ультразвуковое облучение с амплитудой деформации ~,0-3 [фи температурах, близки! к комнаткой, где дйфЪузаошше процессы заторможены, вызывает срыв когерентности, который происходит по ишзт'.зму микроеднига в наиболее напрятанных участка! кристаллической решетки, какими яйлг.ктсй кэге^знпшэ ыы^аггиь границы, «ели уровень когерентных, ианразаний достаточна высок. Уровень когерентных напряжений определяется параметром структурного несоответствия кристаллических решеток матрицы и фазы выделения

А-ч

д „ , 2 —--— , где с1. и й - макплоскостные рзсстол!»и<

™ а а^ 1 «г

кристаллических решеток фазы выделения и матрицы соотватствпнно. В

сплйеч Cu-3.5Bnc.iTi величина параметра несоответствия велик», С / 1,92 (31, что позволяет путем предварителького старения при р&ь.'шч-ных температурах получить структурные состояния о резко возрастающим, по мере увеличения размеров когерентных выделений уровнем когерентных напряжений. Эксперимент показал, что ультризвук с акплигд дой де^рмяцми ~10~3 не приводит к нарушении когерентности виде лот-а размером ~35А и 80А, но внзньаат срыв когереатноиш выделений размя-рои 120 А (величина когерентных напряжений для выделений »того мара '"400 Ша), пр15 этом на рентгенограммах ипчнчвют сателлита « появляется дифр як ц ио ян а я линия промежуточной тетрагональной а'-фазы. Срыв когерентности сапроьовдавтсч резким увеличением платности дислокаций и гох-ншл увеличением твердости сплава. Этот результат ил-

тересен в том отношении, что самопроизвольная потеря когерентности (боз каких-либо внешних воздействий) происходит при гораздо более высоких температурах, в интервале 743-773 К, где термически активируемые диффузионные процессы способствуют выделению промежуточной тетрагональной а'-фаза.

Показано, что ультразвуковое облучение закаленного сплава Си-3,5вес.Ж Т1 в темпоратурном интервале 743-773 К активирует диффузионные процессы, ускоряя рост частиц промежуточной тетрагональной а'~ фазы. Одновременно с тем, ультразвук ускоряет релаксацию когерентных напряжений, которая в данном случае происходит путем генерации и термо-акусткчаски активируемого перераспределения дислокаций в поле действующих когерентных напряжений, в результате чего формируется сильно фрагмэнтированная структура матричной фазы, что хорошо фиксируется методом микродифракции электронов. Значительная величина твердости сплава в этом состоянии (Ну =4500 ЫПа), обусловлена вероятно аддитивным упрочняющим влиянием дислокационных субграниц и самих частиц а'-фазы. Традиционные механико-термические и тармомеха-пкческиэ метода упрочнения сплава Сц-4вес.Х приводят к увеличению его твердости до 3500 МПа.

В отличие от сплава Си-3,5вео.% Т1, параметр структурного несоответствия кристаллических роаеток матричной и избыточной интермэталлидаой З'-фззы (А13И) сплава . А1-2,8вес.% II очень мал ат=0,08Я. Поэтому в процессе роста когерентных выделений при различных температурах старания уровень когерентных напряжений низок, а их релаксация под действием ультразвукового - облучения не 1фйводат к существенному приросту плотности дислокаций и увеличению шкротвердости сплава. К тому же, релаксация когерентных напряжений в этом сплава облегчена еще и более высокой подвижностью дислокаций, обусловленной более ' высокой анергией дефектов упаковки, что характерно для сплавов на основе алюминия.

Показано, что ультразвуковое облучение при старении сплава Д1-2,8 вес.Ж Ы в температурном интервале 523-553 К приводит к замедлении процесса коагуляции когерентных упорядоченных выделений 0'-фззы. При одинаковых временных выдергках в указанном температурном интервале в состаренных под действием ультразвука образцах размер выделений 01сазываэтся в ,1,4-2,3 раза ызньше по сравнению & состоянием, подученным старением без ультразвукового воздействия (рис.5). Последнее, по-видимому, обусловлено ускоренной ультразвуком релаксацией когерентных напряжений, являющихся движущей силой процессов

роста и коагуляции когерентных выделений. Уменьяэние склонности ко-" герентных выделений к процессу коагуляции при повышенных температурах является свидетельством стабилизации структурного состояния спла?а и стабилизирующего характера ультразвукового воздействия на свтарепциэ сплаЕЫ.

Явление релаксации когерентных напряжений и исчезновение, в связи с этим, эффекта аномального рассеяния рентгеновских лучей нэблюдалось нами такаэ после ультразвукового облучения аустенитной

стали Х16Н11МЗ (41 с яогвраятвшя!

т

300

200

10Q

в

■ ? • |

п

ч

выделениями фазы Hi^Sio.

0

too

гоо т °с

Методом внутреннего трения выявлены некоторые характерные особенности структурного состояния, возникающие посла ультразвукового облучения закаленного сплава Си-3,5вес.» 11, отли-чапцие его от структурного состояния, возникающего после однонаправлепной пластической деформации. Исследование методом резонансных изгибных колебаний температурной зависимости внутреннего трения закаленного сплава Си-3,5вес.Ж Т1, облученного ультразвуком с амплитудой переменного напряжения о = 150 НПа при комнатной температуре, показало наличие в температурном интервала 423-623 К большого максимума (ряс.б). Исследование возврата внутреннего трения в указанном интервале температур позволил ■ вычислить величину его энергии . активации, оказавшуюся равной 0,2 эе, что близко к известной из литературы величине энергии связи вакансии кристаллической решетки твердого раствора на основе меда с легарупгам атомом титана. Образование атомно-вакансиотшх комплексов в твердых растворах замощения возмохмо при определенных условиях. Одним из таких условий должно быть существенное различив етсмнкх рэ-.°диуг-ов матричного и легирующего элементов. Для сплава Cu-Tl ато усл- ми- .:;^люд?!ртся, поскольку атомный радиус Ti на 14S прешаазт таковой для Си. Находясь в кристаллической решетке твердого раствора атом Т1 создает вокруг себя пола упругих искатоняй. Появление вблизи такого атака вакансии приводат к частичной релаксации этих искажений

Гис.5. Зависимость среднего размера частиц З'-фззы е сплаве А1-2,8в9с.2 Ы от температуры старения в образцах, состаренных обычно (I) и ггод влиянием ультразвука (2). Время старения при каждой температуре -т = 15 мин.

что делает образование подобных комплексов энергетически выгодным {5). Другим обязательным условием образования атомно-вакансионных комплексов является достаточное количество избыточных вакансий, что и обеспечивается предварительным ультразвуковым облучением. Под действием переменных напряжений, возникающих в образце при измерении внутреннего трения методом резонансных изгибных колебаний и при условии необходимой термической активации (максимум наблюдается в

температурном интервале 423-623 К), атомно-вакансионные комплексы способны переориентироваться, вызывая релаксацию действующих напряжений и увеличение внутреннего трения.

При температурах выше указанного интервала атомно-вакансионные комплексы диссоциируют, что приводит к снижению внутреннего трения. Подобные максимумы не возникают после однонаправленной пластической деформации, что исключает его дислокационную природу. Это означает также, что ультразвуковое об лучение, сплава Си-Т1 создает дефекты особого типа, которые не Рис.6. Температурная зависимость образуются при однонаправленной

внутреннего трения сплава Си- пластической лаЛтемаиии 3,5вес.* Т1 после различных об- пластической деформации.

работок: В шестой главе представлены

2- УЗО О.150 МПз,время Результаты исследования влияния

обл.т=10 млн.; ультразвукового облучения (УЗО) на

э~ 1=18^ У3° °*150 Ша' структуру, кинетику дисперсионного 4- закалка ♦ деформация рнстяже- твердения и сопротивление ползучести кием на 5%. сплава АКЧ-1. В этой главе пред-

ставлены также результаты исследования структурных изменений сплава АКЧ-1 после термоциклической обработки в различных режимах.

В промышленности сплав АКЧ-1 применяется для изготовления поршней дизельных двигателей, головок цилиндров и других деталей, предназначенных для работы в условиях повышенных температур (523-573 К). Сложнолагироввшшй сплвв АКЧ-1 создан ва базе системы А1-Си-й£, где упрочнящая полукогерэнтная з'-фаза (СиА12М£) выдерется при старе-

200 300 Т,

ram по гетерогенному механизму преимущественно на дефектах упаковки. Кинетика дисперсионного"твэрдбния проводилась' методом измерения ми-кротвердоста. Термоультразвуковая обработка сплава проводилась по двум схемам:

1. закалка - УЗО при температуре 2293 1С - старение при 458 К;

2. закалка - старение под действием ультразвука при различных температурах.

Установлено, что ультразвуковое облучение с амплитудой переменного напряжения о= 150 Ш1а закаленного дисперсионно- твердевшего TOMBS АК*!-1 при кошатпой температуре повышает плотность дислокаций п пом. Электронно-микроскопические исследования обнаруживают также большое количество гэликоидальных дислокаций и призматических дислокационных петель, что свидетельствует о вакансионном пересыщении кристаллической решетки облученного сплава. Показано, что предварительное ультразвуковое облучение в указанном режиме существенно ускоряет процесс и повышает уровень дисперсионного твердения при последующем старении при температуре 458 К (первая схема обработки) (рис.7).

Подобная обработка сплава АКЧ-1 cymecTEGffflo увеличивает его сопротивление ползучести при 573 К и напряжении нагрузки 50 МПя. При этом существует оптимальная длительность ультразвукового облучения, равная 4 мин, при котором долговечность сплава возрастает в 2 раза по сравнению с долговечностью после стандартной термообработки, включаюцей закалку и ст'pernio. Для практического использования данного к?а втто то, что увеличение долговечности сплава АКЧ-1 происходит за счет увеличения .г.лктелькссти установившейся стадии ползучести (рис.8). Логика гг-рвой схэ:.п; о б о тки состоит в тон, что появиЕ^иеся при ультра-

ос _

Рис.7. Зависимость микротвердости сплзбз AK4-I, закаленного от 803 К

ьремени искусственного старения

! - ■ ; - л •;* иг ?л! • а ^''лу 1 л- |1рзд5эс'.*Т1!ЛЬНое облучение ст«Т5П мпа,

- :; ллгг; -'ГГ^-ру i'-IF.r; МПА ,

звуковом облучении сплава АКЧ-1 в закаленном состоянии дислокации и призматические дислокационные петли становятся в процессе искусственного старения при 458 К дополнительными местами зароздения упрочняющей интермвтзллидной а-фазы, вследствие чего увеличивается количество частиц з-фазы, закрепляющих СЕЭке генерированные дислокации, что в комплексе приводит к формированию стабильной субструктуры, способной увеличить сопротивление высокотемпературной ползучести сплава.

Исследованс влияние .длительности ультразвукового облучения с амплитудой переменного напряжения 150 МПа на величину микротвердости закаленного сплава АКЧ-1 при температурах 293 К, '353 К, 403 К и 458 К (вторая схема обработки). Показано, что максимальный прирост микротвердости наблюдается при 403 К. По-видимому, эта температура является оптимальной для дисперсионного твердения сплава под действием ультразвука в указанном режиме. Поскольку естественное старение в атом сплаве не происходит, некоторый прирост микротвердости при 293 К может быть связан с увеличением плотности дислокаций и призматических дислокационных петель. Ультразвуковое облучение закаленного сплава АКЧ-1 при 458 К приводит к увеличений долговечности при испытании на ползучесть на 30% при етом пластичность сплава не ухудшается. В отличив от обработки по первой схеме, здесь частицы а'-фазы выделяются на дислокациях под действием ультразвука, вследствие чего происходит релаксация когерентных напряжений, что стабилизирует структурное состояние, повышает устойчивость дисперсных выделений а'-фазы к процессу коагуляции при повышенных температурах.

Рис.8. Кривые ползучести сплава АК4-1:

1- закалка + искусств.стар, при 4.50 К, 12 ?чсов —> стандартная термообработка;

2- закалка + У30 при 293 К, 3 мин.+ искусств.стар, при 458 К, 12 часов;

3- закалка + УЗО при 293 К, 4 мин.+ искусств.стар, при 458 К, 12 часов;

4- закалка + УЗО при 293 К, 6 мин.+ искусств.стар, при 458 К, 12 часов;

5- закалка + УЗО при 293 К, 9 мин.+ искусств.стар, при 458 К, 12 часов;

Поскольку многие детали, изготовленные из сплава ЛКЧ-1, эксплуатируются в условиях торлзцтслирования, предстчвлвло интерес исследовать характер структурных изменений после термоциклической обработки осуа,аствляемой в различных режимах. В качестве исходного выло принято состояние после стандартной термообработки, включающей закалку от температуры 803 К и искусственное старение при 458 К в течение 12 час. Лсо о<Зрезци бил:: терлсобрзботанн по втсму режиму, послэ чего были разделены на три парт®. Образцы из каждой партии термоциклирсвались по одному из следующих режимов:

<. 5ТЗ ?. - 2ЭЗ II, скорость аагрвьа 70 грвд/мич, о* пвкеднте в

'ЗПТ у •

2. 673 К - 293 К, скорость нагрева 115 град/мин, охлаждение в воде, 293 К;

3 . 803 К - 293 И, скорость нагрева 160 грэд/мин, охлаждение в воде, 293 К.

Обозначенные ре гимн отличаются максимальной температурой термических циклов, с увеличением которой возрастает как термическая активация процессов Есзпрата на стядтщ нагреве, тек « уретсяь тсрягтпстятт

.».йнряжоккЛ, зозпккаших а сплаве вслолствке тгдгкэрвтургт градиентов пп стя;ггл охлахпояля тгри тврязциклярсвгиал сплава .поскольку с увеличением манптошьной температуры цихло увеличиваете* й скорость охлаждения сплава.

Структура сплава АКЧ-1 после стандартной термообработки и тэрчо-пиклировчнил исследовалась металлографическим и рэнтгвпогрвфяческ/м (обратная съемка) методами.

Установлено, что после термоциклирования в резкие 573 К - 293 К наблюдается укрупнение и уменьшение количества рефлексов на дифрак-гзтппной линяя (333), что вероятно, связано с процессом вторичной рэ-яркоталлигздяк. Тэрмсциклированив в более жестком режиме 673 К - 293 К вызывает наряду с рекристаллизацией дополнительную фрагметацию зерен, о чем свидетельствует увеличение количества рефлексов на дифракционной линии (333) по сравнению с исходным состоянием. Эффект фрагментации зерчн матричной Фпзн сплава АКЧ-1 особенно сильно проявляется при тчрмоцнк.тэтовании в режиме многократной закалки 6СЗ К - 293 К, вследствие чего л^Гракционные кольцо на рептгепограммах, состоящие а исходном ссгт'-янки из отдельных рефлексов, становятся сплошными.

:то комбинированная обработка, включающая ультразвуковое облучение с амплитудой напряжения 100-120 МПа в условиях ультразвукового разогрева до 373 К в течение 5 мин и последующую термоцик-

лическую обработку в режима 6ТЗ К - 2932 К (3, "10, 25 термоциклов) приводит к сильно выраженной сфэроидизации и коагуляции частиц избыточной фазы. Столь быстрое укрупнение частиц избыточной фазы при термоциклировании предварительно облученного ультразвуком сплава АКЧ-1 связано с активизацией диффузионных процессов в связи с резким возрастанием концентрации избыточных вакансий при ультразвуковом облучении. Наблюдаемые крупные частиы располагаются по мекзеренным границам, которые являются стоками для избыточных вакансий.

Увеличение степени распада з-фазы вблизи границ зерен наблюдалось наш также при комбинированной обработке, включающей предварительное ультразвуковое облучение и последующее термоциклированиа титанового сплава ВТ22 [61.

Седьмая глава посвящена исследованию влияния мягкой термоцикли-ческой обработки и ультразвукового облучения на структурное состояние и свойства жаропрочного литого никелевого сплава ВЖЛ-12 У, применяющегося для изготовления лопаток газотурбинных двигателей.

Долговечность и эксплуатационная надежность рабочих лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) являются основными факторами, определяющими уровень современного авиационного двигателеотроения. Одной из причин, сдерживающих применение высокопрочных материалов в этой области язля-ется их низкий запас пластичности. Многокомпонентное легирование повывает механические характеристики жаропрочных сплавов, но одновремено с упрочнением, как правило, происходит их охрупчиваниэ. Для литых сплавов положение усугубляется присутствием большого количества литейных микропор, являющихся главным фактором повреждаемости лопаток в процессе их эксплуатации. Присутствие . пор в материале обуславливает наличие развитой свободной поверхности и повышенной поверхностной энергии, что является причиной нестабильно ля структурного состояния. Коагулируя при рабочих температурах в процессе эксплуатации двигателя, микропоры могут ускорить образование минротрещин, их распространение и последующее разрушение лопатки. Поэтому стабилизация стурктурного состояния и борьбе со.случайными дефектами, каковыми яеляются литейные микропоры, приобретают особенно большое значение.

В отличие от жесткой термоциклической обработки, при которой скости изменения температуры металлических изделий на стадиях нагрева и охлаждения достаточно еэлшш, вследствие чего в этих изделиях возни-ют температурные градиенты, при мягком термоциклировзнии температурные . градиенты в деталях не возникают вследствие более плавного изменения температуры изделия.

ЦГСН

792

Методом гидросттаического взве^пзакяя покапано, что мягкая термо-кличоскяп обработка повышает плотность литого никелевого сплав ЕШ1-12У

!рио.9), что можно объяснить ззлечивани-. литейных микропор и других объемных и поверхностных микроде-фезктзв структуры путем вязко-диффузионного выпрессоЕывания

межфазных напряжений, возникающих вследствие различия коэффициентов линейного термического расширения (ЮТР) матричной 7 и интерметал-

Г.ТЛПСЯ' -'-^Я- ггртт

1»р?'сцкклирс,вашш ■

Еоличина прироста плотности ли -того никелевого сплава при мягком термо-циклировашги а чексит от величины объемной доли литейных мтсро-пор, которая меняется с. изменением рекима кристаллизации. Как видно лз рио.о, рмОрос по плотности образцов сплава ВЕЛ-12У в исходном ■ ;г!>1(г,1л (послр литья) судвствчиеи. Однако, с увеличением 'П.сла термоциклов величины плотности образцов стремятся к единому значению. В связи с этим прирост плотности сплава вследствие мягкого термоциклироЕания колеблется в интервале 0,1-0,3%. По мере е.л чк; ."а#1фу:'иг'нного йнпреосовнвания литейных микропор ясегдя -.•уш-к-*: ; тмсльн.н- число термоциклов п, после которого наступает Гп IТ й ->-'] .'/."г-.гкл, когда возникающие вследствие различия ЮПТ •-птгаг'.ь Л , г;горметаллидиой 7'-фаз меяфазше напряжения вызывают уже ни .только уплотнение матричной фазы, но и ее деформацию, резко увеличягая плотность дислокаций, что дестабилизирует структурное

¡1итоеТО 2ц Зц Цц 5ц Со работка

Ри';.Я. Клняние ТИО на изменение плотности ■ плльа МЛ-П-'У; I. 2, 2, 4 - кривые обрацов, >:ус«гтвад:г; отлкчяндазся величиной плотности р. исходном состоянии (состояние после литья).

состояние при высоких температурах.

Исследования, проведенные методами . электронной микроскопии, внутреннего трания, дшрометрии, а также испытания на зысокотемпе-ратурнув ползучесть показали, что оптимальное число термоциклов находится в зависимости от исходного состояния (размера части 7'-фазы) сплава. Если исходным является состояние после комплекса термообработок, когда размеры частиц и объемная доля упрочняющей интерметаллидной 7'- фазы достаточно велики, то процесс выпрессовы-вания литейных микопор при мягком термоциклировнии происходит довольно быстро. Имея достаточно большие размеры уже в исходном состоянии, частицы интерметаллидной 7' -фазы продолжают увеличиваться в процессе тармоциклирования. При этом их размер может превысить величину (-0,7 тал), при которой выделения 7'- фазы теряют когерентность с кристаллической решеткой матричной фазы, что снижает сопротивление высокотемпературной ползучести сплава. Если же исходным является состояние с минимальными размерами частиц 7'-фазы (~0,3 мкм, состояние после литья), процесс уплотнения с увеличением числа термоциклов происходит более плавно. При атом к моменту окончания процесса напрессовывания микропор частицы .сохраняют когерентность с кристаллической решеткой матричной фазы. Показано, что долговечность при испытании на высокотемпературную ползучесть термоциклированного таким образом сплава ВВД-12У повышается в среднем на 50% по сравнению с долговечностью сплава в состоянии после стандартной обработки, которая Еключает закалку и старение сплава. Наблюдаемый аффект увеличения долговечности объясняется залечиванием при мягком термоциклиро-вании литейных микропор и других объемных и поверхностных микродефектов структуры, которые могут ускорить образование микротрещин и разрушение образца при испытании на ползучесть. Поэтому максимум увеличения долговечности при высокотемпературной ползучести сплава совпадает с максимумим его высокотемпературной пластичности, изменяющейся в зависимости от числа термоциклов. Кроме того, процесс вы-прессовывания микропор при мягком термоциклировании приводит к уменьшению удельного объема матричной фазы и, следовательно, к релаксации межфазных напряжений, что стабилизирует структурное состояние и также повышает долговечность сплава.

Исследование амплитудной зависимости внутреннего трения сплава ВЕЛ-12У методом резонансных изгибных колебаний показало, что мягкая термоциклическая обработка приводит к повышению степени закрепления дислокаций, что проявляется в увеличении критической амплитуда де-

формации отрыва дислокаций от центров закрепления с ростом числа термоциклов. В процессе исследования выявлено два типа закрепляющих

центров, отрыв дислокаций от которых происходит при различных амплитудах деформации. Высказано предположение, что в качеств слабых центров закрепления являются примесные, атомы, а в _ качестве сильных -частицы карбидной фазы, выделяющейся в процессе выдержки при максимальной температуре цикла.

Увеличение собственной резонансной частоты образцов, наблюдающееся при исследовании внутреннего трения сплава ВЖЛ-12У, подвергнутого предварительной мягкой тормоциклрг'^ской обработке, свидетельствует о росте модуля упругости сплава на 1-3%, что может бнтъ связано как с повышением его плотности, так и с увеличением степени закрепления дислокаций частицами карбидной фазы.

Механические испытания на разрыв, проведенные при температурах 293 К и 1223 К, показали некоторое возрастание предела текучести сплава ВЯЛ-12У по мере увеличения числа термоциклов, что также свидетельствует об увеличении степени закрепления дислоквций частицами карбидной фазы, выделяющейся на стадии выдержки при максимальной температуре цикла. Электронно-микроскопическое исследование подтвердило увеличение количества частиц карбидной фазы, конденсирующейся на дислокациях, с увеличением 'гасла термоцикциклов.

Известно, что усталостная прочность металлов является структу-рночувстЕительной характеристикой. В сеязи с этим, представляло интерес выяснить влияние увеличения плотности сплава ВЖЛ-12У, обусловленное залечиванием поверхностных и объемных микродефектов структуры при мягком термоциклировании на усталостную прочность реальных деталей, а именно - рабочих лопаток ГТД, содержащих значительное количество литейных мккопор, являющихся основным фактором повреждаемости лопаток в процессе эксплуатации авиационного двигателя. Исследование усталостной прочности лопаток ГТД проводилось по стандартной методике (ОСТ 1.00870-77). Всего было испытано 33 лопатки, из них 16 подверглись стандартной термообработке а 17 подверглись трехкратному термоциклированию. Испытания показали, что при одинаковой величине переменного напряжения, раЕной 230 МПа, усталостная долговечность (по числу циклов нагружения) термоциклированных лопаток превысила долг лопаток после стандартной термообработки в 10 и более

I .=¡3 .

Согласно современным представлениям, усталостное разрушение металлов происходит е две стадии. На первой стадии необратимые дефор-

мационные процессы вызывают увеличение плотности дислокаций и повышение концентрации избыточных вакансий, что приводит к образованию микротрещин; на Еторой стадии происходит переростание микротрещин в макротрещинн и их распространение до полного разрушения изделия [71. Очевидно, что присутствие микропор ускоряет протеканиа как перзой так и второй стадии усталостного разрушения материала. Увеличение плотности жаропрочных литых никелевых сплавов за счет выпрессовыва-ния литейных микроиор в процессе мягкого тормоциклирования позволяет существенно повысить долговечность и надежность лопаток ГТД.

Аналогичные результаты получены на жаропрочном литом никелевом сплаве КСф-У.

Для того, чтобы подчеркнуть значимость последнего результата, следует напомнить, что большая часть авиационных катастроф происходит по причине неполадок в двигателе, наиболее уязвимым звеном которого являются лопатки турбины ГТД. Поэтому стабилизация структурного состояния и борьба со случайными дефектами, каковыми являются литейные микропоры, приобретают, особенно большое значение.

Показано, что ультразвуковое облучение с амплитудой деформации о " 10"3 в температурном интервале 973-1023 К сплава ВЖЛ-12У приводит к снижению его плотности, что связано с увеличением концентрации избыточных вакансий и количества дефектов, возникающих при их конденсации (призматические дислокационные петли, субмикропоры и др.). Электронно-микроскопическое исследование облученного ультразвуком сплава ЕЕЯ-12.У показало наличие большого количества призматических .дислокационных петель вблизи меафазных 7'/7-границ, являющихся стоками для избыточных вакансий, что свидетельствует о вакансионноы пересыщении кристаллической решетки матричной 7-фазы.

Показано, что ультразвуковое облучение вызывает стабилизацию некоторых структурных состояний сплава ВМ-12У. Уровень когерантных напряжений в сплавах этого класса мал вследствие невысоких значений параметра структурного несоответствия (йт~0,05%). Однако, эти сплавы содержат более 50% упрочняющей интерметаллидной 7'- фазы коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) которой существенно отличается от такового для матричной 7-фазы. Возниквщие при этом термические мэхфэзные напряжения возрастают с увеличением размеров выделений 7'-фазы.

Установлено, что предварительное ультразвуковое обпучение н температурном интерЕЗЛО 973-1023 К сплава В2Л-12У с крупными вндэ-лекияму 7'-фазы (0,8-0,9 мкм) приводит к существенному приросту

долговечности при высокотемпературной ползучести (на ~30Х), в то время как ультразвуковое облучение а том не рэтше этого сплава в состоянии после литья с минимальными размерами выделений 7'-фазы (~0,3 мкм) не дает прироста долговечности при высокотемпературной ползучести сплава.

В заключении обобщаются данные по исследованию структуры и свойств ГЦК-металлов и сплавов на их основе после упрочняющего и стабилизирующего действия ультразвукового облучения и тэрмоцикли-ческоЯ обработки, а также обсуждаются приоритетность и значимость цолучвннн* рявультнто«. Нймнчйнн явронйктивнче нвггпячдштич дальийй-ших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ШВОДН

1. Установлено сходство кинетик возрастания плотности дислокаций в монокристаллах ГЦК-металлов в зависимости от времени ультразвукового облучения с вмплитудвми деформаций, прэвышащими некоторую пороговую, и числа термоциклов, осуществляемых в жестком режиме (например, в режиме многократной закалки). Показано, что с увэличени-нием длительности облучения и повышением температуры, при которой производиться ультразвуковое облучение, так и с увеличеимм числя циклов при тврмоцшшгроваиии усиливается тенденция к формированию дислокационных скоплений и фрагментации монокристаллов.

2. Установлено, что предварительное ультразвуковое облучение з оптимальном режиме (как и оптимальная степень пластической деформации, равная 3%) с последующей полигснизациеЯ снижают склонность к рекристаллизации меди, обладающей низкой энергией дефектов упаковки, а формирующаяся при указанных предварительных обработках тар.ттэска устойчивая субструптурз поашзачт во сопротивление внсо-котечпературной ползучести. При этом в случае предварительного ультразвукового облучения в оптимальном режиме долговечность меди возрастает в 3 раза, а в случае оптимальной предварительной деформации - в 4 раза (те.мпература испытания 773 К, напряжение 1Ш1а). При ультразьуковом облучении в режимах, превншащих оптод-алькн-) (кок и при пластической деформации, превывапцай оптимальную степень) замедлить процесс рекристаллизации при указанном режиме ис-пптмнич не удается, что приводит к разупрочнению.

3. Установлено, что а зависимости от степени предварительной пластической деформации (от времени ультразвукового облучения в оптимальном режиме) в алюминии, обладающем высокой энергией дефектов упаковки, существуют две области субструктурного упрочнения,

характеризующиеся 6- к 15-кратным снижением скорости установившейся ползучести, разделенных областью разупрочнения, где скорость установившейся ползучести в 1,6 раза превышает таковую в отожженном состоянии (температура испытания 533 К, напряжение 9,5 МПа). Особенность субструктурного упрочнения, вызванного предварительным ультразвуковым облучением, заключается в том, что возникающие в процессе ультразвукового облучения усталостные повреждения (субмикротрещины) снижают сопротивление ползучести алшиния, сужая вторую область субструктурного упрочнения.

4. Исследовано действие ультразвукового облучения на состояние когерентных межфазных границ. На стареющем сплаве Си-3,5% Т1 показано, что ультразвуковое облучение с амплитудой деформации ~10~3 при температурах, близких к комнатным, где диффузионные процессы заторможены, вызывает срыв когерентности (на рентгенограммах исчезают сателлиты и появляется дифракционная линия от промежуточной а*-фазы), который происходит по механизму микросдеига в'наиболее напряженных участках крситаллической решетки твердого раствора, каковыми являются когерентные межфазные границы, если уровень когерентных напряжений достаточно высок. Самопроизвольная потеря когерентности выделениями избыточной фазы в этом сплаве происходит при гораздо более высоких температурах, в интервале 743-773 К, где диффузионные процессы способствуют выделению промежуточной тетрагональной а'-фазы. ультразвуковое облучение сплава в этом температурном интервале ускоряет рзлаксвцию упругих напряжений, обусловленных когерентностью выделений, путем сильной фрагментации матричной фазы.

5. Показано, что срыв когерентности кристаллических решеток матричной и избыточной фаз при ультразвуковом облучении сплава Си-3,5% Т1 (параметр структурного несоответствия кристаллических решеток матричной и избыточной фаз в этом сплаве значителен и составляет 0Ш»1,9%) как при комнатной температуре, где диффузионные процессы заторможены, так.и в температурном интервале 743-773 К, где диффузионные процессы содействуют процессу релаксации когерентных- напряжений, сопровождается существенным приростом плотности дислокаций и 20%-ным возрастанием твердости сплава. Релаксация когерентных в процессе ультразвукового облучения стареющего сплава А1-2,8вес.% И при различных температурах не приводит к его существенному упрочнению, что обусловлено низким уровнем когерентных, напряжений вследствие малой величины параметра структурного несо-

ответствия в этом сплаве (0^= 0.08Ж).

о. Показано, что ультразвуковое облучение (амплитуда напряжения "-п-в0 МШ) в процесса старания сплава Д1-2,ЗЕас.й 1/1 в температурном интервале 523-553 К приводит к замедлению процесса коагуляции когерентных упорядоченных выделений С'-фазы (А1,11). При одинаковых временных вндеркках в указоппсм тоипоратурпом интервале а состаренном под дьйствием ультразвука сплаве размеры выделегшй оказываются в 1,4-2,3 раза меньше по сравнению с состоянием, полученном старением без воздействия. Послел^пе, по-видимому, обусловлено ускоренной ультразвуком р«ляксяци»й когерентных напряжений, являющихся движущей силой процессов роста и коагуляции когерентных выделений избыточной фазы. Уменьшение склонности выделений к процессу коагуляции при повышенных температурах является свидетельством стабилизации структурного состояния сплава и стабилизирующего характера ультразвукового воздействия на стареющие сплавы.

7. Термоультрвзвуковая обработка сплава АК4-1 по схеме: закалка - ультразвуковое облучение при 293 К - искусственное старение при 4Г>в К существенно увеличивает ого сопротивление высокотемпературной ползучести. Пря этом существует оптимальный ре »им облучения, при котором скорость установившейся ползучести снихао гея в 4 ;••!:> з долговечность возрастает в 2 раза (гемаярдтура испытания ' 7,". К, нчпридоние нагрузки Г:0 МПа). Показано, что предварительное ультразвука*«« ';4лу'мнк9 увеличивает плотность дислокаций и приз-уатмчиоках дислокационных петель, являющихся предпочтительными мэ-гь-чк для гет*рогьгаюго зарождения выделений упрочняющей з'-фазы при последующем искусственном старении, вследствие чего формируется стабильнво структурное состояние, понншачпрч жаропрочность

сдт.мз-дшйа число термических циклов, осуществляемых в мягком режиме, увеличивающих плотность жаропрочных литых никелевых сплчвов, но не вызывающих их деформационное упрочнение, приводит к "ущпстг'-'ш^г/ с* пз 507) увдлячйнкп долговччногта при внсокоте»«пв-; ■ .¡1 >.т»уч*г'гги и Ш-крчтясму увеличению долговечности при ус-

¡йли.1пия н.ч1 руке нии.

•. ! комплексных экспериментальных исследований и

" - :- > - -!••;;■: со влилчяю нестационарных температурных и ультра-звуков« * ч па структуру и свойства ГЦК-металлов и стареющих сплавов но гл .«снове ревена актуальная научная проблема, заключающаяся :.т.'чж;м обосновании применения термоциклической обработки

и ультразвукового облучения для повышения ресурса жаропрочности ГЦК-металлов и дисперсионно-тверда пцих сплавов на их основе, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких температур.

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Влияние ультразвука на степень совериенстЕа монокристаллов алюминия, выращенных из расплава /И.Г.Полоцкий, Д.Е.Овсиенко, 3.Л.Ходов, Е.И.Соснина, Г.Я.Базелюк, В.К.Кушнир /МЫ, 1966, 21, с.35-40.

2. Действие ультразвука на дислокационув структуру монокристаллов алюминия /И.Г.Полоцкий, Г.Я.Базелюк, С.Е.Ковш //Сб. Металлофизика, 1968, вып.24, Киев, Наукова думка, С .156-163.

3. Влияние ультразвукового облучения на тонкую структуру и микротвердость монокристаллов алюминия /Н.С.Мордюк, .

И.Г.Полоцкий, Г.Я.Базелш: //Доклады VI Всесоюзной акустической конференции, Москва, 1968, с.76.

4. Затухание упругих колебаний в монокристаллах меди в процессе облучения интенсивным ультразвуком /Г.Я.Базелюк, 0.И.Запорожец, Н.С.Мордюк //Укр.физ.журнал, 1969, 9, с.1552-1557.

5. Воздействие ультразвука на дислокационную структуру мслокристаллов алюминия /И.Г.Полоцкий, Н.С.Мордюк, Г.Я.Базелюк //Сб."Металлофизика", 1970, вып.29, Киев, Наукова думка,

с.99-101.

6. Изменение дислокационного затуханил в монокристаллах меди и алшиния при облучении интенсивным ультразвуком /Г.Я.Базелюк, О.И.Запоропец, Н.С.Мордгк // Сб.Металлофизика,

1970, вып.30, Киев, Наукова думка, с.94-102.

7. Действие предварительного ультразвукового облучения на высокотемпературную ползучесть и микротвердость меди/Г.Я.Базелюк, Г.Я.Козырский, И.Г.Полоцкий, Г.А.Петрунин, ФММ, 1970, 29,

с.508-511.

8. Влияние предварительного ультразвукового облучения к механико-термической обработки на сопротивление ползучести алшиния /Т.Я,Базелюк, Г.Я.Козырский, И.Г.Полоцкий, Г.А.Петрунин //Яй!,

1971, 32, с.145.

9. Действие ультразвука на высокотемпературную ползучесть меда /Г.Я.Базелюк, Г.Я.Козырский, И.Г.Полоцкий, Г.А.Петрунин//

Сб. Легирование, и свойства, жаропрочных сплавов, Наука, Москва, . ТЭТТ, с.53-57.

10. Действие ультразвукового облучения на дислокационную структуру и уикротвердооть монокристаллов мэди /ИЛ\Полоцкий, Г.Я.Базелюк.'/ Укр. фаз. яурнал, 1974, 19, N2, с.208-210. 2 II. Действие ультразвука • яд прочностные херактариптаки дйсториионно-твррдехя.его сплава АК4-1 /Г.Я.Базе;,тле. О.Н.Кашов-кая, Д.Г.Шзрман, И.Г.Полоцкий, Й.Н.Насаерова //ШЫ, 1973, 42, I, с.860-863.

-С. ГО-Л—.ТЛЛЫШЛ Л ¿.ЗГйаНёКжШ ,,1хрУ1т*1Х СЬСтСХВ

сплава Си- 3,5вес.% Т1 при старении /Г.Я.Базелюк, Т.Я.Бениева, О.Н.Кашевская, И.Г.Полоцкий, К.В.Чуистов //Укр.физ.журнал, 1977, 22, И, с.76-80.

13. Действие ультразвукового облучения на структуру и твердость сплава Си-3,5вес.% Т1 с когерентны?® выделениями / Г.Я.Базелюк, А.Л.Березина, И.Г.Полоцкий, А.В.Чуистов // Укр. физ. журнал, 1977, 22, N4, с.541-545.

14. йпутрзттяпп тренде в предварительно дефошнрованнйм п>-пвучст-' распацч^яемсч сплаве Ои-З.аз^с.^ /Г.л.^пселЕК,

. ¡1. Кч^ерскчя, К.'-ч. Чуистсч, И.Г.Полоцкий//Укр.;;МЗ .зс/рнал, 1578, Л7, , с л ■44-146.

¡.о. Некоторые осооэккссти структуры и свойств сплава Си-.'Л Т1, состаренного при ультразвуковой деформации ~.Я.нйзслюк, А.Л. Перезина, К.в.Чуистов, И.Г.Полоцкий // Физ. л хкм. обр.ежториалов, 1°7в, ЙЗ, с.Иб-ИЭ.

16. Влияние ультразвукового облучения на изгабыув деформацию пластинок сплавов Д16 и В95 /Г.Я.Базелюк, А.М.Любчик, ,.Я.мзщмалкая, Г■ А• Петруник. Л.В.Гихонов/ЛГроблемы прочности, N8, с. 117-121.

■ 17. Влияние ультразвукового облучения на обратное мартен-ситное превращение и твердость сплава Ге-29вес.% N1 /Г.Я.Базе-шпк, *).П.Впт)чбячов. В.Г.Горбач, О.Я.Мзциевскзя, Л.В.Тихонов

," Укр. фик.журнал, 1985, т.30, N1, с.146-150.

13. Елиаике ультразвукового воздействия на кристалло-структурнне -изменения сплава Н2Э при обратном мартенситном яр**|,г«ь«?чик 'Г.Я.Пзя»лвк, Ю.П.Барабанов, В.Г.Горбач, С.Я.Мациев-ская, Л.В.Т'ихонов//Метзллофизика, 1986, 8, Н1', с.53-57.

1?. Жзмтеение характеристик ползучести сплзез АК4-1 вследствие предарительнсй термоультразвукоЕОй обработки

/Г.Н.Базелюк, В.И.КоЕпак, О.Я.Ыациевская, И;Г.Полоцкий//Проблеыц прочности, 1977, N11, с.63-66.

20. Влияние предварительного ультразвукового облучения на микроструктуру и высокотемпературную ползучесть сплав AK4-I /Г.Я.Базелкс, В.И.Ковпак, О.Я.Нациевская, И.Г.Полоцкий// Сб.докладов 2-го семинара "Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах", Киев, 1978, с.35.

21. Старение сплава А1-2,8вес.Х 11 в ультразвуковом поле. Особенности процесса выделения. /Г.Я.Базелюк, Л.Н.Трофимова, К.В.Чуистов//Ш|1, 1979, 48 . 0.962-968.

22. Влияние ультразвуковой деформации на фазовые п структурные изменэния в стареющих сплавах / Г.Я.Базелюк, Л.Н.Трофимова, К.В.Чуистон //Препринт АН УССР, ШФ, КиеЕ, 1979, с.32.

23. Дислокационная структура сплава А1-2,8вес.% Li, состаренного в ультразвуковом поле /Г.Я.Базелюк, Л.Н.Трофимова, К.В.Чуистов // Металлофизика, I960, 2, ЯЗ. с.105-108.

24. Рентгенотопографачвское исследование эволюции субструктуры монокристаллов алшиния в процессе термоциклической обработки /Л.В.Техоное, Г.Я.Базалгк, О.Я.Ыациеьская, Р.Г.Гонтарева //СО. докладов "Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах с Д1шашчаскге.и g статических рскаконилш". Изд.Армянской ССР, Ереван, 19Э0, р.1^0.

25. Влияние шшзй торг»гацпкл2Ч0ской обработки на структурное состояние и твердость сплава ЕХЛ-12У / Г.Я.Базелюк, Р.Н.Гонтарева, А.Ы.Любчкк, Г.А.Петрунин, Л.В.Тихошв, О.А.Куцон-ко // Проблемы прочности,. IS95, N3, с.35-40. .

26. Исследование структуры, внутреннего трэшя и упругих характеристик сплава ВЕЛ-123пЬсле мягкого терыоцаклирования /Г.Я.Базелюк, О.Н.Кшэвская, А.М.Любчик // Металлофизика и новейшие технологии, 1994, 16, N5, с.17-21

27. Влияние ультразвукового облучения на процесс старения и упрочнение сплава А1-2,8вас.% Li /Г.Я.Базелюк, Л.Н.Трсфшова, К.В.Чуистон// В кн. Ультразвуковые колебания и их влияние на механические характеристики конструкционных материалов, Кизв.Наук. думка, 1986, с.25-30.

28. ■ Рентгеновская камера для определения внутренних напряжений /Г.Я.Базеляк, Л.Б.Тихонов // Информационный листок о

научно-техническом достижении, УкрНИЙТП, 1588.

29. Способ обнаружения поверхностлых дефектов изделий /В. Я. Винокуров," А.Н.Крзснов, В.В.Заяяина," Л.В.Тпхонов, Г.Я.Базз-" лпк, Н.Л.МакароЕский//Лвторское свидетельство Н 1165151 от

I.08.85. •

30. Способ термической обработки изделий аз каропрочных никелеепх сплавов / Б.Я.Винокуров, Э.л.Калмыков, Л.В.Тихонов, Г.Я.Вазалюк, Л.М.Романова//Авторское свидетельство !1 1450393 от 8.09.1988.

31. Влияние ультразвуковых колебаний на деформационные

процессы в пластинах алалцпшвих старащах сплавсз Д13 и 293 /Т.Я.Базблш, С.Я.Мациевская, Л.В.Тихонов//Тозаса дскладоз четвертой Всесоюзной научно-технической конфэрепцки по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов, часть

II, Москва, 1979, с.89.

32. Влияние термоциклической обработки на структурное состояние и механические свойства жаропрочного сплава ВКЛ-12У /Л.В.Тихонов, В.Я.Винокуров, Г.А.Петрунин, Г.Я.Базелюк//Тезисы докладов I Всесоюзного симпозиума "Новые жаропрочные и заро-стойкие металлические материалы", часть I ''йарсгфочныв сплаш на никелевой основэ", Носика, 1989, с.95.

Ц_пр:«окшс1Я представлены акты внедрения, полученное от заинтересованных предприятий, с которыми зьтср сотрудничал в процессе выполнения работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ультразвук и диффузия в металлах /А.В.Кулемия//Москва, "Металлургия", 1978, 199 с.

2. Влияние ультразвука на совершенство растущих из расплава монокристаллов алюминия ЛТ.Г.Полоцкий, Д.Е.Овсиенко, 3.Л.Ходов, 2.И»Соснина,Г.Я.Базелзск, В.К.Кушнир// Тезисы докладов Всесоюзного совещания по росту металлических кристаллов, Киев, 1965, с.23.

3. Модулированные структуры в стареющих сплавах /К.В.Чуистов //Изд~во "Наукова думка", Киев, 1975, 232 с.

4. Комбинированное воздействие термоциклической обработки и ультразвукового облучения на структурное состояние и механические свойства стали ХТвНЗТМЗ /Г.Я.Базелюк, Р.Г.Гонтэрев8, О.И.Козырский и др. /Л!]. Мяемг прочности, 1980, N9, с.77-81.

5. Дафькш в твердых ратсворах, стобилизирущиеся при понижении температуры /'М. А. Кривоглаз //ФТТ, 1970, 12, N8, с.2445-2451.

6. Влияние тер.юциклирования и ультразвукового облучения на структурное состояние сплава ЕТ22 / Л.З.Тихонов, Р.Г.Гонтарева, Г.Я.Еазелк'. и др.//<Хнз. и хим. обр.материалов, 1989, N1, с.134-139.

7. Роль дефектов в сплавах для газовнх турбин /С.Р.Холдсворт //В кн. "Яаропро'шые сплавы для газовых турбин", Москва, "Металлургия", IS3I, с.292-309.

зшш«

Easelyuk Gsnnady Yakovlevlch. Structure and properties of PCC ГС0 metals under influence of non stationary thermal and ultrasonic fields. Thesis for the degree of doctor of technical sciences. The speciality: 05.16.01 - physical metallurgy and heat treat ment of metals. Institute for Metal Physics, National Academy of Sciences, Ukraine, Kiev, 1997.

32 papers are applied in which, structure and physical mechanical properties of metala, aolid solutions, binary alloys, complex РОС precipitation hardening alloys were investigated by means of different methods (double crystal spectroscopy. X-ray topography, light and electron microscopy, internal friction). They were carried out in wide range of temperatures after strengthening and stabilizing ultrasonic influence, thermal cyclic treating, plaatic deformation and. complex treating. Ultrasonic influence in an optimum regime and polygonal annealing of POO metala with a low staking fault energy (copper) were shorn to lead to thermally stable substructure. They increase recrystallization temperature and high-temperature creep strength. In PCO metala with a high stacking fault energy (aluminium and hard Al-Hg а11оуз) two region of subatructural strengthening were found after the same types of preliminary treatment. Ultrasonic treatment of ageing alloys (Cu~3,5Sirt.Ti, Al-2,8Xwt.Ll, AK4-1) causes coherent atress x-elaxation with subsequent, creation of equilibrium dislocation structures, decreases ability to coagulation of overoaturated phase, leads to creation of stable structures and increase high-temperature strength. Moderate thermal cyclic treating was found to increase density of high-temperature nickel alloys (Е2Л-12У) with subsequent 5СЖ increase of endurance during high-temperature creeping and 10 times increase of fatigue life.

АННОТАЦИЯ

Базелюк Геннадий Яковлевич "Формирование структур и изменение

свойств ГЦК-металлов под влиянием нестационарных температурных и ультразвуковых полей" Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05Л6.01-металловедение и термическая обработка металлов

Защищается 32 работа, в которых различными методами исследования (двойной кристалл-спектрометр, рентгеновская топография, оптическая и электронная микроскопия, внутреннее тре-ше и др.) изучались структура и физики-механические свойства металлов, твердых растворов, бинарных и сложно-легированных промышленных дисперсионно-твердещих сплавов, в том числе и жаропрочных, с ГЦК- решеткой в широком интервале температур после упрочняющего и стабилизирующего действия ультразвукового облучения и термоциклической обработки в различных режимах, а также после пластической деформации и комбинированных обработок. Показано, что ультразвуковое облучение в оптимальном режиме (как и оптимальная степень пластической деформации) и последующий полигонизационный отжиг ГНК-металлов повышают температуру рекристаллизации и формируют термически устойчивую субструктуру, увеличивающую их сопротивление высокотемпературной ползучести. При этом в металлах с низкой энергией дефектов упаковки (медь) возникает в зависимости от степени предварительной деформации (или от времени ультразвукового облучения) одна область субструктурного упрочнения, а в металлах с высокой энергией дефектов упаковки (А1 и твердые растворы M-Hg) обнаружено две области. Показано, что при ультразвуковом облучении стареющих сплавов (Си-3,5вес ЛТ1, А1 -2,8вес.56 II, АК4-1) происходит релаксация упругих напряжений, обусловленных присутствием когерентных выделений избыточной фазы, вследствие чего формируется более равновесная дислокационная структура и уменьшается склонность выделений избыточной фазы к коагуляции, что приводит к созданию стабильных структурных состояний, повышающих ресурс жаропрочности сплавов. При исследовании сплэва Си-3,5зес.%Т1, облученного ультразвуком, обнаружен большой пик внутреннего трения, природа которого связывается с атсмно-вакансконными комплексами, образующимися в процессе предварительного ультразвукового облучения. Установлено, что мягкая термсцпклическая обработка повышает плотность жаропрочных литых никелевых сплавов {'¡'7Л-'.?,У, Ж"6 - У), что приводят к возрастанию долговечности при высокотемпературной ползучести на ЬО% и 10-кратному возрастанию долговечности при усталостном нагружении. Ключевые слова: металлы, термопиклирование, ультразвук, дислокации, релзкстлия напряжений, рентген, сплайн, дефоруигия, термообработка.