cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2024-1-24-41cvmet-1583Research ArticleЛитейное производствоFoundryОсобенности структуры и свойства жаропрочных никелевых β-сплавов, полученных методом центробежного СВС-литьяStructural characteristics and properties of heat-resistant nickel β-alloys produced via the centrifugal SHS-casting methodhttps://orcid.org/0000-0002-9983-654XСанинВ. В.SaninV. V.

Виталий Владимирович Санин – к.т.н., вед. науч. сотрудник лаборатории металлургических процессов; науч. сотрудник 

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1;

111524, г. Москва, ул. Электродная, 2, стр. 1

 

Vitaly V. Sanin – Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher

4 Bld. 1 Leninskiy Prosp., Moscow 119049;

1 Bld. 2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

sanin@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2079-8710АгеевМ. И.AheievM. I.

Максим Игоревич Агеев – к.т.н., мл. науч. сотрудник

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Maksym I. Aheiev – Cand. Sci. (Eng.), Junior Researcher

4 Bld. 1 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

aheievmi@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2505-2918ЛогиновП. А.LoginovP. A.

Павел Александрович Логинов – к.т.н., науч. сотрудник

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Pavel A. Loginov – Cand. Sci. (Eng.), Researcher

4 Bld. 1 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

pavel.loginov.misis@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9233-4707БычковаМ. Я.BychkovaM. Ya.

Марина Яковлевна Бычкова – к.т.н., доцент

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Marina Ya. Bychkova – Cand. Sci. (Eng.), Assistant Prof.

4 Bld. 1 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

bychkova@shs.misis.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9999-6888ШукманЕ. С.ShukmanE. S.

Елизавета Сергеевна Шукман – начальник испытательного аналитико-сертификационного центра

111524, г. Москва, ул. Электродная, 2, стр. 1

Elizaveta S. Shukman – Head of the Analytical Certification Center

1 Bld. 2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

ESKoshel@rosatom.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9481-3149МежеваяЛ. Ю.MezhevaiaL. Yu.

Лилия Юрьевна Межевая – ст. науч. сотрудник испытательного аналитико-сертификационного центра

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1;

111524, г. Москва, ул. Электродная, 2, стр. 1

Liliya Yu. Mezhevaia – Senior Researcher of the AnalyticalCertification Center; Postgraduate Student of the Department of Certification and Analytical Control

4 Bld. 1 Leninskiy Prosp., Moscow 119049;

1 Bld. 2 Elektrodnaya Str., Moscow 111524

lymezhevaya@rosatom.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8402-4605СанинВ. Н.SaninV. N.

Владимир Николаевич Санин – д.т.н., гл. науч. сотрудник

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Vladimir N. Sanin – Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

8 Akademican Osip’yan Str., Chernogolovka, Moscow Region 142432

svn@ism.ac.ruhttps://orcid.org/0009-0002-1749-0782ЛобоваТ. А.LobovaT. A.

Тамара Александровна Лобова – д.т.н., профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Tamara A. Lobova – Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Department of Powder Metallurgy and Functional Coating

4 Bld. 1 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

smazka39@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»; АО «Гиредмет» им. Н.П. СажинаРоссияNational University of Science and Technology «MISIS»; JSC «Giredmet» n.a. N.P. SazhinRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian FederationАО «Гиредмет» им. Н.П. СажинаРоссияJSC «Giredmet» n.a. N.P. SazhinRussian FederationИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАНРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2024280320243012441Copyright © Санин В.В., Агеев М.И., Логинов П.А., Бычкова М.Я., Шукман Е.С., Межевая Л.Ю., Санин В.Н., Лобова Т.А., 20242024Санин В.В., Агеев М.И., Логинов П.А., Бычкова М.Я., Шукман Е.С., Межевая Л.Ю., Санин В.Н., Лобова Т.А.Sanin V.V., Aheiev M.I., Loginov P.A., Bychkova M.Y., Shukman E.S., Mezhevaia L.Y., Sanin V.N., Lobova T.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1583

По технологии центробежной СВС-металлургии при разных технологических режимах и дополнительных металлургических переделах (вакуумный индукционный переплав и вакуумный дуговой переплав) получен сплав: base–2,5Mo–1,5Re–1,5Ta–0,2Ti. Исследовано влияние режимов на содержание неметаллический включений и примесей, особенности структуры, механические свойства при сжатии, кинетику и механизм окисления при температуре 1150 °C в течение 30 ч. С ростом центробежного ускорения доля неметаллических включений (балльность) снижается с 5 до 1–2 ед. Наилучшее сочетание свойств по соотношению прочности, предела текучести и остаточной деформации имеет сплав, полученный в условиях перегрузки g = 50: σв = 1640 ± 20 МПа, σ0,2 = 1518 ± 10 МПа. При значениях перегрузки g = 20÷300 состав продуктов синтеза соответствует расчетным значениям. Суммарное содержание примесей составляет 0,15 ± 0,02 %, что находится в области допустимых значений. С увеличением центробежной силы уменьшается содержание газовых примесей: кислорода – до 0,018 %, азота – до 0,0011 %. Структура сплавов характеризуется образованием в матрице глобулярных и строчечных включений твердого раствора на основе Cr. В межзеренном пространстве присутствуют включения (Cr)Ni,Mo,Co, (Cr)Mo,Re и (Cr)Re,Mo толщиной 2–8 мкм. На границах зерен образуется фаза Ni(Al,Ti), обеспечивающая рост сопротивления пластической деформации и повышение прочности сплава. Механизм окисления сплавов, полученных по разным режимам, отличается. Существенное влияние на кинетику окисления оказывает размерный фактор структурных составляющих. Прирост массы СВС-образцов составляет 70 ± 10 г/м2. Процесс окисления происходит по межфазным границам NiAl в глубь образца. C помощью просвечивающей электронной микроскопии идентифицированы фазы, содержащие микродобавки Ti, которые снижают содержание в интерметаллидной фазе растворенных азота и кислорода до значения ΣO,N = 0,0223 мас.%.

Employing centrifugal self-propagating high-temperature synthesis (SHS) metallurgy, complemented by advanced metallurgical processes such as vacuum induction melting (VIM) and vacuum arc remelting (VAR), yielded the alloy formulation denoted as base–2.5Mo–1.5Re–1.5Ta–0.2Ti. This study investigates the effects of various technological modes and additional metallurgical treatments on the alloy's impurity and non-metallic inclusion content, structural characteristics, mechanical behavior under compression, and its oxidation mechanisms and kinetics when exposed to temperatures of 1150 °C for 30 h. With increasing centrifugal acceleration, the proportion of non-metallic inclusions (number of points) drops from 5 to 1–2 points. The best combination mechanical properties, including σucs = 1640 ± 20 MPa, σys = 1518 ± 10 MPa, and residual deformation were observed in alloys processed under conditions of increased gravitational force (g = 50). Within a centrifugal force range of g = 20÷300, the composition of the synthesis products aligned with the theoretical expectations. The total content of impurities is 0.15 ± 0.02 %, with a decrease in gas impurities–oxygen and nitrogen levels reduced to 0.018 % and 0.0011 %, respectively. The structural analysis of the alloys revealed the presence of globular and streaked inclusions of a chromium-based solid solution embedded within the matrix. Inclusions with thickness of 2–8 μm are present in the intergranular space: (Cr)Ni,Mo,Co, (Cr)Mo,Re and (Cr)Re,Mo. The formation of the Ni(Al,Ti) phase at grain boundaries was identified, contributing to an enhancement in plastic resistance and overall strength of the alloy. Oxidation mechanisms varied across different processing modes, with the size of structural components significantly influencing oxidation kinetics. The weight gain observed in SHS samples was 70 ± 10 g/m2 with oxidation predominantly occurring along the NiAl interphase boundaries and penetrating into the depth of the sample. TEM facilitated the identification of phases enriched with Ti microadditions, reducing the levels of dissolved nitrogen and oxygen within the intermetallic phase to a combined weight percentage (ΣO,N) of 0.0223 wt.%.

жаропрочные никелевые сплавыцентробежное СВС-литьецентробежное ускорениевакуумный индукционный переплав (ВИП)вакуумный дуговой переплав (ВДП)неметаллические включениясодержание газовых примесейжаростойкостькинетика окисления.heat-resistant nickel alloyscentrifugal SHS-castingcentrifugal accelerationSHSvacuum induction melting (VIM)vacuum arc remelting (VAR)nonmetallic inclusionsgas impurity contentheat resistanceoxidation kineticsИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 19-79-10226, https://rscf.ru/project/19-79-10226/This research was supported by the Russian Science Foundation, grant № 19-79-10226, https://rscf.ru/project/19-79-10226/ReferencesYing Wang, Hong-bo Guo, Hui Peng, Li-quan Peng, Sheng-kai Gong. Diffusion barrier behaviors of (Ru,Ni) Al/NiAl coatings on Ni-based superalloy substrate. Intermetallics. 2011;19(2):191—195. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.08.016Ying Wang, Hong-bo Guo, Hui Peng, Li-quan Peng, Sheng-kai Gong. Diffusion barrier behaviors of (Ru,Ni) Al/NiAl coatings on Ni-based superalloy substrate. Intermetallics. 2011;19(2):191—195. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.08.016Dongjun Wang, Ying Liang, Hanwei Ning, Bao Wang. Effects of Zr and Co on the microstructure and mechanical properties of NiAl-based alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2021;883:160815. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160815Dongjun Wang, Ying Liang, Hanwei Ning, Bao Wang. Effects of Zr and Co on the microstructure and mechanical properties of NiAl-based alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2021;883:160815. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160815Sui X., Lu J., Wei D., Zhang L., Wang R., Zhao W., Zhang W. Unveiling the influence of TiN on the microstructure and high-temperature oxidation behavior of Ti—Al—Cr composite coating. Corrosion Science. 2022;206:110539. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110539Sui X., Lu J., Wei D., Zhang L., Wang R., Zhao W., Zhang W. Unveiling the influence of TiN on the microstructure and high-temperature oxidation behavior of Ti—Al—Cr composite coating. Corrosion Science. 2022;206:110539. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110539Shang Z., Shen J., Wang L., Du Y., Xiong Y., Fu H. Investigations on the microstructure and room temperature fracture toughness of directionally solidified NiAl—Cr(Mo) eutectic alloy. Intermetallics. 2015;57:25—33. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2014.09.012Shang Z., Shen J., Wang L., Du Y., Xiong Y., Fu H. Investigations on the microstructure and room temperature fracture toughness of directionally solidified NiAl—Cr(Mo) eutectic alloy. Intermetallics. 2015;57:25—33. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2014.09.012Hu L., Zhang G., Hu W., Gottstein G., Bogner S., Bührig-Polaczek A. Tensile creep of directionally solidified NiAl—9Mo in situ composites. Acta Materialia. 2013;61(19):7155—7165. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.08.017Hu L., Zhang G., Hu W., Gottstein G., Bogner S., Bührig-Polaczek A. Tensile creep of directionally solidified NiAl—9Mo in situ composites. Acta Materialia. 2013;61(19):7155—7165. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.08.017Grabke H.J. Oxidation of NiAl and FeAl. Intermetallics. 1999;7(10):1153—1158. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(99)00037-0Grabke H.J. Oxidation of NiAl and FeAl. Intermetallics. 1999;7(10):1153—1158. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(99)00037-0Kovalev A., Wainstein D., Rashkovskiy A. Influence of Al grain boundaries segregations and La-doping on embrittlement of intermetallic NiAl. Applied Surface Science. 2015;354:323-327. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.06.110Kovalev A., Wainstein D., Rashkovskiy A. Influence of Al grain boundaries segregations and La-doping on embrittlement of intermetallic NiAl. Applied Surface Science. 2015;354:323-327. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.06.110Kaplansckii Yu.Yu., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Mazalov A.B. Influence of aging and HIP treatment on the structure and properties of NiAl-based turbine blades manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing. 2020;31:100999 https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100999Kaplansckii Yu.Yu., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Mazalov A.B. Influence of aging and HIP treatment on the structure and properties of NiAl-based turbine blades manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing. 2020;31:100999 https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100999Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. International Materials Reviews. 2017; 62(4): 203—239. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. International Materials Reviews. 2017; 62(4): 203—239. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291Kurbatkina V.V. Nickel aluminides. In: Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis. Elsevier, 2017. P. 212—213. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804173-4.00099-5Kurbatkina V.V. Nickel aluminides. In: Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis. Elsevier, 2017. P. 212—213. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804173-4.00099-5Sanin V.V., Kaplansky Y.Y., Aheiev M.I., Levashov E.A., Petrzhik M.I., Bychkova M.Ya., Samokhin A.V., Fadeev A.A., Sanin V.N. Structure and properties of heatresistant alloys NiAl—Cr—Co—X (X = La, Mo, Zr, Ta, Re) and fabrication of powders for additive manufacturing. Materials. 2021;14(12):3144. https://doi.org/10.3390/ma14123144Sanin V.V., Kaplansky Y.Y., Aheiev M.I., Levashov E.A., Petrzhik M.I., Bychkova M.Ya., Samokhin A.V., Fadeev A.A., Sanin V.N. Structure and properties of heatresistant alloys NiAl—Cr—Co—X (X = La, Mo, Zr, Ta, Re) and fabrication of powders for additive manufacturing. Materials. 2021;14(12):3144. https://doi.org/10.3390/ma14123144Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Loginov P.A., Petrzhik M.I. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting. Part 1 — Room temperature investigations. Materials Science and Engineering: A. 2017;690:463—472. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.09.075Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Loginov P.A., Petrzhik M.I. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting. Part 1 — Room temperature investigations. Materials Science and Engineering: A. 2017;690:463—472. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.09.075Klumpes R., Maree C.H.M., Schramm E., de Wit J.H.W. The influence of chromium on the oxidation of β-NiAl at 1000 °C. Materials and Corrosion. 1996;47(11):619—624. https://doi.org/10.1002/maco.19960471105Klumpes R., Maree C.H.M., Schramm E., de Wit J.H.W. The influence of chromium on the oxidation of β-NiAl at 1000 °C. Materials and Corrosion. 1996;47(11):619—624. https://doi.org/10.1002/maco.19960471105Bo Li, Fei Liu, Cong Li, Yimin Gao, Congmin Fon, Xiaohu Hou. Effect of Cr element on the microstructure and oxidation resistance of novel NiAl-based high temperature lubricating composites. Corrosion Science. 2021;188:109554. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109554Bo Li, Fei Liu, Cong Li, Yimin Gao, Congmin Fon, Xiaohu Hou. Effect of Cr element on the microstructure and oxidation resistance of novel NiAl-based high temperature lubricating composites. Corrosion Science. 2021;188:109554. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109554Gao W., Li Z., Wu Z., Li S., He Y. Oxidation behavior of Ni3Al and FeAl intermetallics under low oxygen partial pressures. Intermetallics. 2002;10(3):263—270. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(01)00132-7Gao W., Li Z., Wu Z., Li S., He Y. Oxidation behavior of Ni3Al and FeAl intermetallics under low oxygen partial pressures. Intermetallics. 2002;10(3):263—270. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(01)00132-7Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Sidorenko D.A. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting followed by vacuum induction remelting. Part 2 — Evolution of the structure and mechanical behavior at high temperature. Materials Science and Engineering: A. 2017;690:473—481. http://doi.org/10.1016/j.msea.2017.02.089Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Sidorenko D.A. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting followed by vacuum induction remelting. Part 2 — Evolution of the structure and mechanical behavior at high temperature. Materials Science and Engineering: A. 2017;690:473—481. http://doi.org/10.1016/j.msea.2017.02.089Kaplanskii Yu.Yu., Zaitsev A.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Logacheva A.I. The structure and properties of pre-alloyed NiAl— Cr(Co,Hf) spherical powders produced by plasma rotating electrode processing for additive manufacturing. Journal of Materials Research and Technology. 2018;7(4):461—468. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.01.003Kaplanskii Yu.Yu., Zaitsev A.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Logacheva A.I. The structure and properties of pre-alloyed NiAl— Cr(Co,Hf) spherical powders produced by plasma rotating electrode processing for additive manufacturing. Journal of Materials Research and Technology. 2018;7(4):461—468. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.01.003Агеев М.И., Санин В.В., Швындина Н.В., Капланский Ю.Ю., Левашов Е.А. Кинетика и механизм окисления никелевых сплавов. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022;(3):4—23.Aheiev M.I., Sanin V.V., Shvindina N.V., Kaplanskii Yu.Yu., Levashov E.A. Oxidation kinetics and mechanism of nickel alloys. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2022;(3):4—23. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-3-4-23Sanin V.V., Aheiev M.I., Kaplanskii Yu.Yu., Loginov P.A., Bychkova M.Ya., Levashov E.A. The effect of dopants on structure formation and properties of cast SHS alloys based on nickel monoaluminide. Materials. 2023;16(9):3299. https://doi.org/10.3390/ma16093299Sanin V.V., Aheiev M.I., Kaplanskii Yu.Yu., Loginov P.A., Bychkova M.Ya., Levashov E.A. The effect of dopants on structure formation and properties of cast SHS alloys based on nickel monoaluminide. Materials. 2023;16(9):3299. https://doi.org/10.3390/ma16093299Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин. М.: Газотурбинные технологии, 2017. 854 с.Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин. М.: Газотурбинные технологии, 2017. 854 с.Zhang W.L., Li S.M., Fu L.B., Li W., Sun J., Wang T.G., Jiang S.M., Gong J., Sun C. Preparation and cyclic oxidation resistance of Hf-doped NiAl coating. Corrosion Science. 2022;195:110014. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.110014Zhang W.L., Li S.M., Fu L.B., Li W., Sun J., Wang T.G., Jiang S.M., Gong J., Sun C. Preparation and cyclic oxidation resistance of Hf-doped NiAl coating. Corrosion Science. 2022;195:110014. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.110014Dingding Zhu, Xinli Wang, Peng Jia, Canying Cai, Jianyu Huang, Guangwen Zhou. One-dimensional γ-Al2O3 growth from the oxidation of NiAl. Corrosion Science. 2023;216:111069. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111069Dingding Zhu, Xinli Wang, Peng Jia, Canying Cai, Jianyu Huang, Guangwen Zhou. One-dimensional γ-Al2O3 growth from the oxidation of NiAl. Corrosion Science. 2023;216:111069. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111069

The authors declare that there are no conflicts of interest present.