автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Прочность композитов с сотовой структурой на основе NiAl

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор литературы.

1.1. Интерметаллиды как основа нового типа сплавов.

1.2.Интерметаллиды - упорядоченное состояние сплава.

1.3. Пластичность, вязкость разрушения.

1.3.1. Влияние легирования и микролегирования на пластичность алюминидов.

1.3.2. Влияние размера зерна на пластичность алюминидов.

1.3.3. Пластичность и вязкость разрушения гетерофазных сплавов на основе алюминидов.

1.4. Повышение характеристик прочности сплавов на основе алюминидов.

1.4.1. Упрочнение при пластической деформации и измельчение зерна.

1.4.2. Твердорастворное упрочнение алюминидов титана и никеля.

1.4.3. Упрочнение гетерофазных сплавов в зависимости от химического и фазового состава, структуры и текстуры.

1.4.4. Другие виды упрочнения.

1.5. Жаростойкость интерметаллидов NiAl.

1.6. Нетрадиционные интерметаллиды.

1.7. Получение дисперсноупрочненных материалов.

1.7.1. Методы получения порошковых смесей.

1.8. Теоретическое обоснование.

1.9. Краткие выводы и постановка задачи.

Глава 2. Материал и методика исследования.

2.1. Используемые материалы.

2.2. Приготовление смесей на ультразвуковой установке.

2.3. Получение монолитных образцов.

2.4. Приготовление шлифов.

2.5. Определение параметров структуры.

2.6. Определение твердости по Виккерсу.

2.7. Методика вакуумных отжигов.

2.8. Испытания на сжатие при высоких температурах.

2.9. Испытания на ползучесть.

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение.

3.1. Выявления эффекта от сотовой структуры.

3.1.1. Результаты исследования компактов без упрочнения их дисперсными оксидами.

3.1.2. Результаты исследования компактов, упрочненных дисперсными оксидами.

3.2. Исследование температурно - временной стабильности композиционного материала с сотовой структурой.

3.2.1 Результаты эксперимента для интерметаллида NiAl и композиционного материала с сотовой структурой.

3.2.2. Результаты эксперимента для интерметаллида NiAl с частицами Y2O3.

3.3. Исследование жаростойкости композиционного материала с сотовой структурой на основе NiAl.

3.4. Исследование горячей прочности и ползучести композитов с сотовой структурой.

Выводы.

Необходимость повышения конкурентоспособности продукции отечественной промышленности и создания образцов новой техники с характеристиками, превышающими западные аналоги, ставит задачи разработки принципиально новых жаропрочных конструкционных и инструментальных материалов, обладающих высоким комплексом свойств и относительно дешевых.

Рабочая температура жаропрочных никелевых сплавов со структурой из у- у'-фазы приблизилась к естественному пределу - температуре плавления. Среди тугоплавких металлов и их твердых растворов нет ни одного, не горящего на воздухе, исключая платиноиды. Поэтому поиск жаропрочных материалов для температур 1200-1300 °С и выше обратился к интерметаллидам (а также соединениям металл - металлоид). Особый интерес представляют интерметаллические соединения с участием алюминия, обеспечивающего высокую окалиностойкость материала. Из числа таковых интенсивно исследуется о интерметаллид NiAl, имеющий малую плотность (р-5,86 г/см ) и высокую температуру плавления, равную 1638°С. "Узким местом" этого материала является его малая пластичность при низких и умеренных температурах (относительное удлинение в температурном интервале от 20 до 200°С составляет 0ч-2%) и неудовлетворительная горячая прочность (ао,21100=72 МПа) в сравнении с жаропрочными никелевыми сплавами.

Известным с конца 80-х годов и все еще перспективным подходом является создание композиционных материалов на основе никелевой (Ni-Al) матрицы, упрочненной Мо или W - волокнами.

В настоящей работе разрабатывался композиционный жаропрочный материал, структура которого состоит из двухслойных гранул NiAl с нанесенным на них покрытием из тугоплавких металлов. Силовую функцию в таком композите выполняет оболочка из тугоплавких металлов, а наполнителем ячеек является NiAl. Такое конструктивное решение должно повысить низкотемпературную пластичность и горячую прочность композита.

выводы

1. Композиционные материалы, состоящие из смеси порошков двух фаз NiAl и Мо имеют меньшую пористость чем чистый NiAl, но при этом они уступают композиционным материалам с сотовой структурой с таким же химическим составом.

2. Значительное повышение горячей прочности композиционных материалов NiAl-W-Mo с помощью дисперсных оксидов возможно только при введении их в тело зерна. В этом случае их прочность приближается к композитам с сотовой структурой без оксидов.

3. Предельной температурой эксплуатации композиционных материалов с сотовой структурой на базе не менее 50 часов является температура 1400°С. В случае разрушения сотовой структуры прочность композита резко падает.

4. Окалиностойкость материалов с сотовой структурой повышается по мере уменьшения толщины вольфрамовой оболочки нанесенной на гранулы. Наилучшие свойства среди композитов с учетом технологических ограничений по их получению показал материал с вольфрамовым покрытием от 1-1,5 мкм.

5. Во всем исследованном интервале температур испытаний композит с сотовой структурой обладает более высоким сопротивлением ползучести, чем чистый NiAl.

6. Сотовая структура позволяет: либо поднять температуру эксплуатации на 160°С, либо пределы длительной прочности при 1210°С в 2-2,3 раза, либо удельные пределы длительной прочности при той же температуре в 1,3-1,6 раза в сравнении с чистым NiAl.

1. Глезер Г.М., Качанов Е.Б., Кишкин С.Т. и др. Современные литейные жаропрочные сплавы для рабочих лопаток ГТД // Авиационные материалы на рубеже XX—XXI веков: Н,-т.сб. М.: ВИАМ, 1994, с.244 251.

2. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой // Металловедение. 1997, №4., с.32 39.

3. Логунов А.Л., Петрушин H.B., Должанский Ю.М., Кулешова Е.Л. Прогнозирование влияния структурных факторов на механические свойства жаропрочных сплавов // МиТОМ., 1981, №6., с.16.

4. Sims Т., Stoloff S., Hagel С. // Super-alloys II. New-York. Chichester. Brisbone. Toronto. Singapore. 1987, p.615.

5. Банных О. А., Поварова К. Б. Интерметаллиды — новый класс легких жаропрочных и жаростойких материалов. //Технология легких сплавов. 1992, № 5., с. 26-32.

6. Bannykh О. A., Lyakishev N. P., Povarova К. В. Principles of Development of New Materials Based on Alumininides for High-Temperature Service // Journal of Advanced Materials. 1994, № 1., p. 293-305.

7. Fleischer R. L. Miscelaneous Novel Intermetallics // Intermetallic Compounds Practice // Eds. J. H. Westbrook, R. L Freischer //J.Willey and sons. 1994, v. 2., p. 237-256.

8. Liu С. T. Ni3Al aluminide alloys // Structural Intermetallics/ Ed. R. Darolia, J. J. Lewandowski, С. T. Liu a. o. // The Minerals. Metals and Materials Society. 1993, p. 365-377.

9. Miracle D. В., Darolia R. NiAl and its alloys // Intermetallic Compounds. V2. Practice

10. Ed. J. M. Westbrook, R. L. Fleischer 1994, p. 53-72.

11. Dimiduk D. M., Miracle D. В., Ward С. H. Development of intermetallic materials for aerospace // Materials Science and Technology 1992, v. 8., April, p. 367-375.

12. Dimiduk D. M., Miracle D. В , Vendiratta M. G Recent progressn intermetallic alloys for advanced aerospace systems // ISTJ. Internat. 1991, v. 31a, № 10, p. 1223.

13. Huang S. C., Chesnutt J. C. Gamma TiAl and its alloys // Intermetallic Compounds. V 2. Practice / Ed J. H. West-brook, R L Fleisher 1994. p. 73 90.

14. SauthoffG. Z. HZ. Metallkunde. 1990. Bd81, h. 12., s. 855-861.

15. Kim Y.-W. Microstructural evolution and mechanical properties of a forged gamma titanium alummide alloy // Acta Metall Mater 1992, v. 40, № 6., p. 1121-1134.

16. Kim Y.-W. Intermetallic alloys based on gamma titanium aluminide //JOM. 1989, v. 41. № 7., p 24.

17. Поварова К. Б., Банных О. А., Буров И. В., Заварзина Е. К., Титова Т. Ф., Заварзин И. А., Иванов В. И. Структура и некоторые свойства литых сплавов на основе TiAl, легированных V, Nb, Та, Zr, W // Металлы. 1998, № 2.

18. Кузнецов А. В., Баринов С. М., Котинов В. И., Мерцалов Н. Н., Касинцев А. В. // Известия АН СССР. Металлы 1990, № 3, с. 184-186.

19. Булыгин И.П., Бунтушкин В.П., Базылева О.А. Литейный сплав на основе интер-металлида Ni3Al для монокристаллических рабочих лопаток турбин ГТД // Авиац. пром-сть. 1997, №3 4., с.61 - 65.

20. Каблов Е. Н., Бунтушкин В.П., Поварова К.Б. и др. Малолегированные легкие жаропрочные высокотемпературные материалы на основе интерметаллида N13AI.// Металлы. 1999, №9., с.58-65.

21. Булыгин И. П., Бунтушкин В. П., Базылева О. А. Механические и эксплуатационные свойства литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида №зА1. //Металлы. 1995. №3, с. 70-73.

22. Delagi R. Bringinig spaceage metals down Earth // Machine Desing. 1992, v. 8., p. 6872.

23. Kumar K. S., Wittenberg J. D. Discontinuous reinforced intermetallic matrix composites // Material science and Technology. 1992, v. 8., p. 317 330.

24. Николаев А. Г., Егоров E. Б., Коростелин А. А. и др. Новый способ получения жаростойкого проводника для нагревательных элементов // Сталь. 1994, № 10., с. 83-85.

25. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения,- М.: Металлургия, 1976,с. 555.

26. Yang W.J., Lin F., Dodd R.A. Structure of vacancydefective NiAl. // Scripta Metallurgies 1978, № 12., p. 237-241.

27. Fronberg G. Aspecte der diffusion in intermetallischen phasen. // Z.Metallkunde.- 1981, h. 72., №9., s. 596-600.

28. Shankar S., Seigle L.L. Interdiffusion and intrinsic diffusion in the NiAl phase of the AL- Ni system. // Metall. Trans. A. 1978, № 9A., p. 1467-1476.

29. Шиняев А.Я., Пивкина О.Г. Дефекты кристаллической решетки и скорость взаимной диффузии в упорядоченных фазах переменного состава. // Диффузионные процессы в металлах.- Тула: Полит. Ин-т,- 1979, № 6., с. 60-64.

30. Hilgedick R., Herzig C. Zum diffusion mechanismus in dergeordered B2-phase Gold-Zink. // Z. Metallkunde.- 1983, h. 74., №l.s. 38-43.

31. Шиняев АЛ. Диффузионные процессы в сплавах,- М.: Наука, 1975, с. 225.

32. Pope D.P., Ezz S.S. Mechanical properties of №зА1 and nickel base alloys with high volum fraction of Y. // Intern.Metals Reviews. 1984, №3., p. 136-167.

33. Корнилов И.И. Интерметаллиды и взаимодействие между ними,- М.: Наука,1964.

34. Aoki К., Izumi О. // J. Japan Institue Met. 1979, v. 43., p. 1190.

35. Бунтушкин В. П., Базылева О. А., Поварова К. Б., Казанская Н. К. Влияние структуры на механические свойства легированного интерметаллида №зА1 // Металлы. 1995, № 3., с. 74-80.

36. Бунтушкин В. П., Поварова К. Б., Банных О. А., Казанская Н. К., Шипова Г. Влияние кристаллографической ориентации на механические свойства монокристаллов легированного интерметаллида №зА1 // Металлы. 1998, № 2., с. 49-53.

37. Полякова H. А., Гольберг В. В., Шевакин А. Ф. // ФФМ. 1990, № 1., с. 206-208.

38. Mikkoba D. Е., Nic J. P., Zhang S., Millegan W. W. // ISIJ. International. 1991, v. 31., №10., p. 1070-1079.

39. Kumar K. S., Brown S. A. // Scr. Met. et Mater. 1992, №2., p. 197-202.

40. Chen X., Chen S., Wu X., Fang L., Hu G. // Materials Science and Engineering. 1992, A 153., p. 370-376 .

41. Shulson E. M., Baker D. R. // Scripta metallurgica 1983, v. 17., p 519-522.

42. Манегин Ю. В., Дзнеладзе Ж. И., Скачков О. А., Соловьев 3. П. // Сб . Порошковаяметаллургия ЦНИИЧер-мет. 1981, с. 61 80;

43. Манегин Ю. В., Дзнеладзе Ж. И., Скачков О. А., Соловьев 3. П // Сб. Металлические порошки, их свойства и применение. ЦНИИЧермет. 1983, с. 61 65.

44. Baker I. // Metallography.- 1984, № 17., p. 299-314.

45. Имаев В. И., Имаев Р. М., Салищев М. Р., Кузнецов А. В., Поварова К. Б. Влияние скорости деформации и размера зерен на пластичность интерметаллида TiAl при комнатной температуре // Металлы. 1996, № 5., с. 135 145.

46. Imaev Y. I., Imaev R. М., Salishev G. A., Povarova К. В., Shagiev M. R., Kuznetzov A. V. Effect of strain rate on twinning and ductility of TiAl with equi-axed micro structure // Scripta Materialia. 1997, v. 36., № 8.

47. Поварова К. Б., Ломберг Б. С., Филин С. А., Казанская Н. К., Школьников Д. Ю., Беспалова М. Д. Структура и свойства (Р + у)-сплавов системы Ni— А1—Со // Металлы. 1994, №3, с. 77.

48. Ломберг Б. С., Поварова К. Б., Школьников Д. Ю., Казанская Н. К. Влияние легирования на структуру и механические свойства деформированных P-NiAl + у-сплавов системы Ni— Со—А1 // Металлы. 1998, № 3.

49. Miller M. K., Larson D. J., Russel K. F. Characterization of segregation in nickel and titanium aliminides / Structural intermetallides ed. by M V. Nathal et al. // The Minerals, Metals and Materials Society 1997. p. 53-62.

50. Поварова К. Б., Малиенко Е. И., Ларин В. В., Плахтий В. Д., Дьяконов Д. Я. Релаксация неравновесного фазово-структурного состояния закристаллизованной при прокатке ленты из сплава на основе №зА1 // Металлы. 1997, № 4, с. 56-64.

51. Stoloff N. S. Physical and mechanical metallurgy of N3AI and its alloys // Intern. Mater Rev. 1989, v. 34.

52. Lui S.-C., Davenport J. W., Plummer E. W., Zenner D. M., Fernando G. W. Electronic structure of NiAl // Physical Review B. 1990, v 42., №3., p. 1582-1597.

53. Fox A. G., Tabernor M. A. The Gonding charge density of pNiAl // Acta metal, mater. 1991, v. 39., №4. p. 669-678.

54. Банных О. А., Марчукова И. Д., Поварова К. Б., Шевакин А. Ф. Исследование рентгеноэлектронных спектров валентной зоны интерметаллида NiAl, легированного Со, Fe и Мп // Металлы. 1994, № 6, с. 142-146.

55. Juing I., Rudy М., Sauthoff G. //Mat. Res. Soc. Symp. Proc. V. 81. 1987; Sauthoff G.// Z Metallkunde 1989. Bd 80., h 5, s. 337-344.

56. Orchiai S., Oya Y., Suzuki T. // Acta Metall 1984, v. 32, p. 289-298.

57. Поварова К. Б., Филин С. А., Масленков С. Б. Фазовые равновесия с участием Р-фазы в системах Ni—А1—Me (Me- Со, Fe, Мп, Си) при 900 и 1100°С // Металлы. № 5. с. 179188.

58. Банных О. А., Поварова К. Б., Су-мин В. В., Казанская Н. К., Фадеева Н. В., Беспалова М. Д. Нетронографическое изучение атомного упорядочения в псевдодвойных разрезах систем NiAl—FeAl и NiAl—CoAl // Металлы. 1995, №3, с. 81 85;

59. Сумин В. В., Поварова К. Б., Фадеева Н. В., Беспалова М. Д. Нейтронографическое изучение атомного упорядочения в интерметаллиде NiAl, легированном титаном // Металлы.1997, № 1., с. 118-122.

60. Банных О. А., Поварова К. Б., Бра-славская Г. С., Богатова М. Н., Масленков С. Б. Физико-химические аспекты легирования и механические свойства сплавов на основе TiAl // Сб : Проблемы металлургии легких и специальных сплавов. М 1991, с. 326 344.

61. Банных О. А., Браславская Г. С., Поварова К. Б., Рубина Е. Б. К вопросу об определении позиций,занимаемых атомами легирующих элементов в кристаллической решетки TiAl // Металлы 1994, № 6, с. 134 -141.

62. Поварова К.Б., Банных О.А. Принципы создания конструкционных сплавов на основе интерметаллидов.// Материаловедение. 1999, №2-3, с. 27-37.

63. Cotton J. D., Noebe R. D., Kaufman M. J. Ternary alloying effects in polycrys-talline p-NiAl // Structural Intermetallics / Eds. R Darolia, J J. Lewandowskt, С. T. Liu a o. The Minerals Metals and Materials Society. 1993, p. 365 377.

64. Поварова К. Б., Николаев А. Г., Левашов Е. К., Казанская Н. К. Получение конструкционных материалов на основе NiAl методом СВС-компактирования // Металлург 1996, №5., с. 9-10.

65. Васильева А. Г., Устинов Л. М., Жамнова В. И. и др. // Вестник МВТУ 1991, № 1., с. 91-96.

66. Alexander D. J., Sicca V. К. Mechanical properties of advanced aluminides // Mater Sci.Eng. 1992, V.A152, p. 114-119.

67. Nazmy M., Staubli M. Aspects of Mechanical behaviour of directional solidified Ni3Al intermetallics // Scripta metallurgica. 1991, v. 25, p. 1305-1308.

68. Field R. D. // Intermetallic HP Turbine Technology Development, G E Aircraft Engins.1991.

69. Банных О. А., Поварова К. Б., Браславская Г. С., Масленков С. Б., Богатова М. Н. Механические свойства литых сплавов y-TiAl // МиТОМ 1996, №4, с. 11-14.

70. Анташев В. Г., Иванов В. И., Ясинский К. К. Разработка технологии получения литых деталей из интерметал-лидного сплава TiAl и их использование в конструкциях // Технология легких сплавов. 1996, № 3, с. 20-23.

71. Hutchings R., Loretto M.N. // Metal Science.- 1978, №11., p. 503-509.

72. Hutchings R., Loretto M.N. // Metal Science.- 1981, №1., p. 7-13.

73. Abdel Latif M.H. // Met.Trans.- 1980, №11A, p. 845-846.

74. Окисление и взаимодействие с защитными покрытиями никелевых направленных эвтектик. / Э.Я. Ольшанская, С.З. Бокштейн, И.Л. Светлов и др. // ФММ,- 1977, v. 43., № 2, с. 345-351.

75. Anton D. L., Shan D. М., Duhl D. M Giamei A. F. // Journal of Met. 1989, v.41., №9. p.12.

76. Frommeyer G. R., Rosenkranz R., Ludecke C. // Metallkunde 1990, Bd 81. s. 307.

77. Поварова К. Б., Заварзина Е. К., Юдковский С. И., Фридман А. Г., Иванченко В. Г. Структура и свойства сплавов хромового угла системы Сг—Ti—Si // Металлы. 1996, № 3., с. 95-103.

78. Мозжухин Е.И. Итоги науки и техники. Металлургия цветных и редких металлов.// М. ВИНИТИ 1966. с 114-156.

79. Rusmussen J.G., Grant N.J.// Powder Metallurgy. 1965, v.8., №15., p. 92-113.

80. Benjamin I.S. //Metal. Trans. 1970, v.l, №10, p.2943-2951.

81. Darolia R. , Lewandowski J.J., Liu C.T., Martin, Miracle D.B., Nathal M.V. // Structural intermetallics, Int. Symp. 26-30 Sept., MMMS. 1993, p. 495-504.

82. Igarashi M., Senba H. // Structural intermetallics, Int. Symp. 26-30 Sept., MMMS.-1993, p. 533-542.

83. О.А.Банных, К.Б.Поварова, "Технология легких сплавов".1992, №5, 26.

84. Г.Дж.Фрост, М.Ф.Эшби, "Карты механизмов деформации", М.: Металлургия, 1989, с. 328 .

85. Беломытцев М.Ю., Ежов И.П. Получение малых образцов интерметаллидных композиций. Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1999, №7, с. 50-52.

86. Беломытцев М.Ю. Высокотемпературные испытания малых образцов интерметаллидов на сжатие. Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 2000, №11, с. 42-44.

87. Елютин В.П., Котиков В.И., Лысов Б.С. Высокотемпературные материалы. Получение и физико-химические свойства высокотемпературных материалов. М. Металлургия. 1973.

88. Коваленко И.А. Металлографические реактивы// Справочник. М. Металлургия1981.

89. Салтыков С.А. Стереоскопическая металлография. М. Металлургия. 1970.

90. Паисов И.В. Лабораторные работы по курсу термической обработки. М. Металлургия 1968.

91. In-Gyu Lee, Amit К. Ghosh, Ranjan Ray, Sunil Jha. //Metallurgical and Materials Transactions A, 1994, v. 25A, № 9, p. 2017-2022.

92. J. Daniel Whittenberger, S.K. Mannan, K.S. Kumar.// Scripta Metallurgica, 1989, v. 23, № 12, p. 2055-2060.

93. K.R. Forbes, U. Glatzel, R. Darolia, W.D. Nix. //Metallurgical and Materials Transactions A, 1996, v. 27A, № 5, p. 1229-1239.